AT414047B - Arrangement for binding molecules, e.g. useful in fluorescence microscopy studies, comprises individual functional groups or multiple identical functional groups arranged on a solid support at a defined density - Google Patents
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Abstract
Description
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AT 414 047 BAT 414 047 B
Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen zur Bindung von Molekülen, insbesondere zur Anwendung als Biochips bzw. zur Analyse mittels der "Single Dye Tracing" Methode.The present invention relates to arrangements for binding molecules, in particular for use as biochips or for analysis by means of single-dye tracing. Method.
Die jungen Forschungsgebiete wie Genomik und Proteomik stellen die Biotechnologie vor gro-5 ße Herausforderungen, wobei die Einzelmolekül-Mikroskopie eine wichtige Stellung einnehmen kann. Gängige Methoden der Genomik und Proteomik basieren auf Untersuchungen mittels DNS- oder Protein-Arrays, bei deren Auswertung die Ensemble-Eigenschaften vieler Biomoleküle ermittelt werden (Arbeitman et al., 2002; MacBeath and Schreiber, 2000; Pollack et al., 1999; Zhu et al., 2001). Die Einzel-Molekül Mikroskopie bietet hingegen einen qualitativen io Vorteil von grundsätzlicher Bedeutung, da einzelne Biomoleküle untersucht werden können, ohne dass deren relevante Eigenschaften durch Mittelung der Ensemble-Beobachtung verzerrt oder ausgedünnt werden würden (Clausen-Schaumann et al., 2000; Mehta et al., 1999; Nie and Zare, 1997; Schmidt et al., 1996; Segers-Nolten et al., 2002; Xie and Lu, 1999). Beispiele für die Eigenschaften von einzelnen Molekülen sind etwa der jeweilige Satz von Mutationen eines 15 DNS-Moleküls, oder die individuelle post-translationale Modifikation jedes einzelnen exprimier-ten Proteins, sowie sein Assoziationszustand mit anderen Proteinen.The emerging areas of research such as genomics and proteomics pose major challenges for biotechnology, with single-molecule microscopy playing an important role. Common methods of genomics and proteomics are based on investigations using DNA or protein arrays, the evaluation of which determines the ensemble properties of many biomolecules (Arbeitman et al., 2002, MacBeath and Schreiber, 2000, Pollack et al., 1999, Zhu et al., 2001). On the other hand, single-molecule microscopy offers a qualitative advantage of fundamental importance since individual biomolecules can be investigated without their relevant properties being distorted or thinned out by averaging the ensemble observation (Clausen-Schaumann et al., 2000, Mehta et al., 1999; Nie and Zare, 1997; Schmidt et al., 1996; Segers-Nolten et al., 2002; Xie and Lu, 1999). Examples of the properties of single molecules are, for example, the respective set of mutations of a DNA molecule, or the individual post-translational modification of each individual expressed protein, as well as its association with other proteins.
Gefordert ist eine Technologie, die viele verschiedene Biomoleküle bzw. deren Strukturvarianten einzeln und schnell zu untersuchen gestattet, zum Beispiel Eigenschaften von DNS-20 Molekülen oder Art und Zahl von Boten-RNS Molekülen, die in einer Zelle bestimmten Zustands oder nach bestimmter Behandlung exprimiert vorliegen (Expressionsprofil); weiters die detaillierten Profile der jeweils exprimierten Proteine, d.h. Profile differenziert nach Typ, Zahl, post-translationaler Modifizierung (Phosphorylierung, Glykosilerung, etc.), Verteilung der einzelnen Proteine in der Zelle, spezifische Protein-Protein Assoziationen, und der Effekt auf die Aktivität 25 des Proteins.What is needed is a technology that allows for the rapid and unique investigation of many different biomolecules or their structural variants, for example properties of DNA-20 molecules or the type and number of messenger RNA molecules that are expressed in a particular state of the cell or after certain treatment (expression profile); Furthermore, the detailed profiles of the respective expressed proteins, i. Profiles differentiated by type, number, post-translational modification (phosphorylation, glycosylation, etc.), distribution of the individual proteins in the cell, specific protein-protein associations, and the effect on the activity of the protein.
Um eine statistisch relevante Aussage zu treffen, sollte die Zahl der gleichzeitig untersuchbaren Einzelmoleküle zumindest einige Zehnerpotenzen erreichen, etwa 106 bis 10®, bei einer vertretbaren Datenaufnahmezeit. 30 Für diese Anwendung bietet sich der Einsatz der fluoreszenz-mikroskopischen SDT-Methode an. SDT ist seit einigen Jahre eine Routinetechnik, sowohl zur Detektion einzelner fixer oder diffundierender Moleküle an Oberflächen (Schmidt et al., 1996) als auch von einzelnen Biomolekülen in Zellen (Schutz et al., 2000; Sonnleitner et al., 1999). Zur ultraschnellen Mikroskopie 35 von Molekülen an Oberflächen mit gleichzeitiger Einzelmolekül-Empfindlichkeit wurde ein Verfahren entwickelt und patentiert, "SDT-scan" (Hesse et al., 2002; Schindler, 2000). Dieses Verfahren gestattet die Analyse aller einzelnen fluoreszenzmarkierten Moleküle auf 1 cm2 in etwa 5 min mit sehr gutem Signal-Rausch-Verhältnis, und erfüllt somit eine der gestellten Forderung: Die Bereitstellung einer genügend empfindlichen und zugleich genügend schnellen 40 Detektionsmethode.In order to make a statistically relevant statement, the number of single molecules that can be examined at the same time should reach at least a few orders of magnitude, for example 106 to 10®, with a reasonable data acquisition time. 30 For this application, the use of the fluorescence microscopic SDT method is recommended. SDT has been a routine technique for several years, both for detecting individual fixed or diffusing molecules on surfaces (Schmidt et al., 1996) and individual biomolecules in cells (Schutz et al., 2000, Sonnleitner et al., 1999). For ultrafast microscopy of molecules on surfaces with simultaneous single-molecule sensitivity, a method has been developed and patented, " SDT scan " (Hesse et al., 2002, Schindler, 2000). This method allows the analysis of all individual fluorescently labeled molecules to 1 cm2 in about 5 min with a very good signal-to-noise ratio, thus satisfying one of the requirements: providing a sufficiently sensitive and sufficiently fast detection method.
Die verbleibenden Forderungen beziehen sich auf die Entwicklung einer Methodik zur definierten Anordnung der Moleküle mit hoher Dichte mit dem Maximalwert von 1,1 x 10® isolierter Moleküle oder einer gleichen Anzahl von Gruppen gleicher Moleküle auf einem cm2. 45The remaining requirements relate to the development of a methodology for the defined arrangement of the high-density molecules with the maximum value of 1.1 × 10® isolated molecules or an equal number of groups of the same molecules on one cm 2. 45
Zur Zeit gebräuchliche Methoden zur Anordnung von Molekülen auf Oberflächen werden zur Herstellung von Oligonukleotid-, DNA-, Protein-, Oligosaccharid- und chemischen Microarrays eingesetzt. Gängige Methoden zur Herstellung von DNA-Microarrays beruhen auf dem Contact-Spotting (Schena et al., 1995) und Non-Contact-Spotting (Okamoto et al., 2000) geringer Flüs-50 sigkeitsvolumina; für Oligonukleotid-Microarrays wird zudem die photolithographische Synthese am festen Substrat eingesetzt (Fodor et al., 1993). Für Protein-Microarrays stehen Spotting-Verfahren (MacBeath and Schreiber, 2000) und Stempel-Methoden mit flexiblen Kunststoffen (Bernard et al., 1998; Bernard et al., 2001), sowie für Oligopeptid-Microarrays zusätzlich auch photolithographische Syntheseverfahren zur Verfügung (Pellois et al., 2002). Für Oligosaccha-55 rid-Microarrays (Fukui et al., 2002) und Microarrays kleiner Moleküle (Lam and Renil, 2002) 3Currently used methods for arranging molecules on surfaces are used for the production of oligonucleotide, DNA, protein, oligosaccharide and chemical microarrays. Common methods for the preparation of DNA microarrays are based on contact spotting (Schena et al., 1995) and non-contact spotting (Okamoto et al., 2000) low liquid volumes; For oligonucleotide microarrays, photolithographic synthesis is also used on the solid substrate (Fodor et al., 1993). For protein microarrays, spotting methods (MacBeath and Schreiber, 2000) and stamping methods using flexible plastics (Bernard et al., 1998, Bernard et al., 2001) and, additionally, photolithographic synthesis methods are also available for oligopeptide microarrays. Pellois et al., 2002). For Oligosaccha-55 rid microarrays (Fukui et al., 2002) and microarrays of small molecules (Lam and Renil, 2002) 3
AT 414 047 B kommen meist Spotting-Verfahren zum Einsatz.AT 414 047 B mostly spotting methods are used.
Die Spot-Dichten der genannten Microarrays hängen vom Herstellungsverfahren ab und reichen für die Spotting-Verfahren von wenigen 1000 bis 5 x 104 Spots pro cm2, und bei photoli-5 thographischen Verfahren bis maximal 5 x 105 Spots pro cm2.The spot densities of the microarrays mentioned depend on the production method and range from a few 1000 to 5 × 10 4 spots per cm 2 for the spotting method, and up to a maximum of 5 × 10 5 spots per cm 2 in photolithographic methods.
In der WO 00/06770 A werden Biomolekül-Arrays geoffenbart, die zwar bestimmte Abstände zwischen den Biomolekül-Spots einhalten, jedoch nur eine für viele Anwendungen unzureichend niedrige Dichte an Spots zulässt. Weiters ist auch eine spezifische Addressierbarkeit der io dortigen Moleküle oder das Vorsehen mehrerer, voneinander verschiedenen Funktionalitäten nicht möglich. Im Übrigen bereiten die dort geoffenbarten Arrays Probleme im Hinblick auf unspezifische Bindungen und die Wiederverwendbarkeit dieser Arrays ist nicht gegeben.WO 00/06770 A discloses biomolecule arrays which, although they maintain certain distances between the biomolecule spots, allow only an insufficiently low density of spots for many applications. Furthermore, a specific addressability of the molecules there or the provision of several, different functionalities is not possible. Incidentally, the arrays disclosed there cause problems with respect to nonspecific bonds and the reusability of these arrays is not given.
Die beispielsweise in den W089/09406 und W098/39688 vorgeschlagenen Arrays auf Basis 15 von S-Layern mit Proteinen als Abstandshaltern weisen zwar eine sehr große Dichte auf, jedoch sind diese Arrays aus mehreren Gründen ungeeignet für die optische Analyse: Die Abstände zwischen den Funktionalitäten, die im Bereich von 10 nm liegen sind zu klein, um eine optische Auflösung zu erlauben; die Schichten sind labil und nicht reproduzierbar aufbaubar. Weiters können keine verschiedenen Funktionalitäten, insbesondere addressierbare Funktionalitäten, 20 vorgesehen werden.Although the arrays 15 based on S-layers with proteins as spacers proposed in W089 / 09406 and WO98 / 39688 have a very high density, these arrays are unsuitable for optical analysis for a number of reasons: The distances between the functionalities which are in the range of 10 nm are too small to allow optical resolution; the layers are labile and can not be reproduced. Furthermore, no different functionalities, in particular addressable functionalities, 20 can be provided.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die eben geschilderten Nachteile des Standes der Technik ganz oder teilweise zu vermeiden und Arrays von Biomolekülen zur Verfügung zu stellen, die eine große Dichte aufweisen, deren einzelne Bindungsbereiche genü-25 gend Abstand von benachbarten Bindungsbereichen aufweisen, die in optischen Analysesystemen genutzt werden können, adressierbare Bindungsplätze aufweisen können oder die verschiedene Funktionalitäten nutzen können. Insbesondere sollten diese Arrays für die Einzelmolekülanalyse, insbesondere unter Verwendung der SDT-Methode, nutzbar sein und den dafür erforderlichen Kriterien genügen. 30The object of the present invention is therefore to avoid, in whole or in part, the above-described disadvantages of the prior art and to provide arrays of biomolecules which have a high density whose individual binding regions are at a sufficient distance from adjacent binding regions. which can be used in optical analysis systems, can have addressable binding sites or can use different functionalities. In particular, these arrays should be useful for single molecule analysis, especially using the SDT method, and should meet the criteria required for this. 30
Demgemäß betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung zur Bindung von Molekülen, umfassend bindungsfähige Funktionalitäten, welche als molekular-einzelne Funktionalitäten oder in Gruppen gleicher Funktionalitäten auf einem festen Träger vorliegen, wobei die Dichte der einzelnen Funktionalitäten bzw. Gruppen von Funktionalitäten auf dem festen Träger von 35 104 bis 1010 einzelnen bzw. gruppierten bindungsfähigen Funktionalitäten pro cm2 beträgt, sich bei zumindest 95 %, insbesondere bei zumindest 99 %, der einzelnen bzw. gruppierten bindungsfähigen Funktionalitäten innerhalb eines gewählten Abstandes d von einer (beliebigen) einzelnen bindungsfähigen Funktionalität oder Gruppe von bindungsfähigen Funktionalitäten keine weiteren bindungsfähigen Funktionalitäten befinden. 40Accordingly, the present invention relates to an assembly for binding molecules comprising binding functionalities which are present as molecular-single functionalities or in groups of identical functionalities on a solid support, the density of the individual functionalities or groups of functionalities on the solid support of 35 104 to 1010 individual or grouped bindable functionalities per cm2 is at least 95%, in particular at least 99%, of the individual or grouped bindable functionalities within a selected distance d of any (individual) bondable functionality or group of bondable functionalities no further binding functionalities are located. 40
Erfindungsgemäß werden unter Funktionalitäten stets bindungsfähige Funktionalitäten verstanden.According to the invention, functionalities are always understood as functionalities that can be linked.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen stellen eine entscheiden verbesserte Alternative zu den 45 konventionellen Microarrays dar, insbesondere können erfindungsgemäß Dichten von 1 x 108 Molekülen oder Gruppen gleicher Moleküle oder mehr erzielt werden. Der minimale Abstand zwischen Molekülen oder Molekül-Gruppen, die mit fluoreszenzoptischer Detektion noch gerade einzeln auflösbar sein sollen, ist etwa gleich der Wellenlänge des Fluoreszenzlichts, -0,5 pm (Beugungslimit abbildender optischer Mikroskopie). Diese prinzipielle Grenze bestimmt erfin-50 dungsgemäß in der Praxis den Minimalabstand zwischen den Molekülen oder Molekül-Gruppen zu - 1 pm, d.h. in einer Fläche mit dem Durchmesser von - 1 pm um jedes Molekül oder jede Molekül-Gruppe sollten sich keine weiteren Moleküle befinden. Dennoch sollte die Anzahl der Moleküle oder Gruppen möglichst hoch sein, d.h. in den meisten Fällen zumindest im Prozent-Bereich der bevorzugten maximalen Flächendichte von 1 x 108/cm2 liegen, um die schnelle 55 Datenaufnahme der SDT-scan Methode zur Geltung kommen zu lassen. 4The devices according to the invention represent a decidedly improved alternative to the conventional 45 microarrays, in particular according to the invention densities of 1 × 10 8 molecules or groups of the same molecules or more can be achieved. The minimum distance between molecules or molecule groups, which should still be individually resolvable with fluorescence-optical detection, is approximately equal to the wavelength of the fluorescence light, -0.5 μm (diffraction limit of imaging optical microscopy). According to the invention, this basic limit determines in practice the minimum distance between the molecules or molecule groups of-1 pm, i. there should be no other molecules in an area with a diameter of - 1 pm around each molecule or group of molecules. Nevertheless, the number of molecules or groups should be as high as possible, i. in most cases, at least in the percent range of the preferred maximum areal density of 1 x 10 8 / cm 2 to accentuate the rapid data acquisition of the SDT-scan method. 4
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Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich somit Dichten erzielen, die zumindest um den Faktor 100 größer sind, als z.B. in der WO 00/06770 A; weiters kann die erfindungsgemäße Anordnung als geordneter Array zur Verfügung gestellt werden (im Unterschied zu den "random arrays" gemäß den WO 00/06770 A und W098/39688 A). Schließlich können auch verschiedene Spezifitäten der Bindungsstellen vorgesehen werden und somit Multi-Komponenten-Arrays bereitgestellt werden, die auch noch wiederverwendbar sind.With the present invention, it is thus possible to achieve densities which are at least 100 times greater than e.g. in WO 00/06770 A; Furthermore, the arrangement according to the invention can be provided as an ordered array (in contrast to the "random arrays" according to WO 00/06770 A and WO 98/39688 A). Finally, different specificities of the binding sites can be provided and thus multi-component arrays are provided, which are also still reusable.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt in der Anordnung der Abstand d von 0,1 bis 100 pm, insbesondere 0,5 bis 10 pm.According to a preferred embodiment of the present invention, in the arrangement, the distance d is from 0.1 to 100 μm, in particular 0.5 to 10 μm.
Diese Abstände erlauben eine besonders effiziente Nutzung in Zusammenhang mit optischen Methoden, insbesondere mit SDT, insbesondere im Scan-Modus gemäß der WOOO/25113 A.These distances allow a particularly efficient use in conjunction with optical methods, in particular with SDT, in particular in the scan mode according to the WOOO / 25113 A.
Die erfindungsgemäße Anordnung weist vorzugsweise zusätzlich Einheiten auf, die über die bindungsfähigen Funktionalitäten an die feste Oberfläche gebunden sind, wobei die Einheiten vorzugsweise ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Nukleinsäuren, insbesondere RNA und DNA, sowie Oligopeptiden und Polypeptiden, insbesondere Antikörpern, oder organischen Molekülen, insbesondere Mitgliedern einer kombinatorischen Bibliothek.The arrangement according to the invention preferably additionally has units which are bound to the solid surface via the bondable functionalities, wherein the units are preferably selected from the group consisting of nucleic acids, in particular RNA and DNA, and oligopeptides and polypeptides, in particular antibodies, or organic molecules , in particular members of a combinatorial library.
Bevorzugter Weise beträgt in der erfindungsgemäßen Anordnung die Dichte der einzelnen oder gruppierten bindunasfähigen Funktionalitäten auf dem festen Träger von 105 bis 109, insbesondere von 106 bis 10, einzelnen oder gruppierten bindungsfähigen Funktionalitäten pro cm2.In the arrangement according to the invention, the density of the individual or grouped bindunas-capable functionalities on the solid support is preferably from 105 to 109, in particular from 10 6 to 10, individual or grouped bondable functionalities per cm 2.
Vorzugsweise ist die feste Oberfläche eine Glas-, Kunststoff-, Membran-, Metall-, oder Metalloxid-Oberfläche.Preferably, the solid surface is a glass, plastic, membrane, metal, or metal oxide surface.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Anordnung zusätzlich Einheiten auf, die über die bindungsfähigen Funktionalitäten an die feste Oberfläche gebunden sind, und an welche Moleküle, vorzugsweise nicht kovalent, gebunden sind.According to a preferred embodiment, the arrangement according to the invention additionally comprises units which are bound to the solid surface via the bondable functionalities and to which molecules, preferably non-covalently, are bound.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Bindung von Einzelmolekülen, welche durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: - Bereitstelien einer festen Oberfläche mit bindungsfähigen Funktionalitäten, - Kontaktieren der festen Oberfläche mit Hilfsstrukturen, die Einheiten, insbesondere organische Gruppen, Nukleinsäuren oder Polypeptide, tragen, die an die bindungsfähigen Funktionalitäten der festen Oberfläche bindenden können, so dass die Hilfsstrukturen über die Einheiten und Funktionalitäten an die feste Oberfläche gebunden werden, - Behandeln der festen Oberfläche mit den daran gebundenen Hilfsstrukturen mit Mitteln, welche entweder (i) die bindungsfähigen Funktionalitäten, die nicht mit den Hilfsstrukturen verbunden sind, inaktivieren, so dass diese bindungsfähigen Funktionalitäten ihre Bindungsfähigkeit verlieren, oder (ii) die Einheiten, die nicht an die bindungsfähigen Funktionalitäten der festen Oberfläche gebunden sind, blockieren, - Behandeln der festen Oberfläche mit den daran gebundenen Hilfsstrukturen mit Mitteln, welche die Bindung zwischen den Hilfsstrukturen und den gebundenen Einheiten oder Fragmenten der gebundenen Einheiten spaltet, und - Ablösen der Hilfsstrukturen unter Zurücklassen der zuvor von den Hilfsstrukturen getragenen Einheiten oder Fragmenten dieser im Bereich der Kontaktstelle auf der festen Oberfläche.According to a further aspect, the present invention relates to a method for producing a device for binding single molecules, which is characterized by the following steps: preparation of a solid surface with bondable functionalities, contacting of the solid surface with auxiliary structures, the units, in particular organic groups , Nucleic acids or polypeptides capable of binding to the bondable functionalities of the solid surface such that the auxiliary structures are attached to the solid surface via the units and functionalities, treating the solid surface with the auxiliary structures attached thereto with agents which either ( i) inactivate the binding functionalities that are not associated with the auxiliary structures so that these bondable functionalities lose their binding capacity, or (ii) the units that do not respond to the bindable functionality - Treating the solid surface with the attached auxiliary structures with means which cleaves the bond between the auxiliary structures and the bonded units or fragments of the bonded units, and - detachment of the auxiliary structures leaving behind the previously of the Auxiliary structures carried units or fragments of these in the region of the contact point on the solid surface.
Vorzugsweise werden als Mittel zur (i) Inaktivierung der bindungsfähigen Funktionalitäten und zur (ii) Blockierung der Einheiten chemische Substanzen eingesetzt, die an die bindungsfähigen Funktionalitäten oder Einheiten kovalent binden und diese dadurch inaktivieren oder blocken. Beispiele sind chemische Substanzen mit freien Thiolgruppen, die an bindungsfähige Funktionalitäten, wie Maleimide, binden können. 5Preferably, as means for (i) inactivating the binding functionalities and (ii) blocking the units, chemical substances are used which covalently bind to the binding functionalities or moieties and thereby inactivate or block them. Examples are chemical substances with free thiol groups, which can bind to bindable functionalities, such as maleimides. 5
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Alternativ dazu kann dieses erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Bindung von Molekülen, auch durch die folgenden Schritte realisiert werden: - Bereitstellen einer festen Oberfläche mit Funktionalitäten, - Kontaktieren der festen Oberfläche mit Hilfsstrukturen, die Einheiten mit aktivierbaren Funktionalitäten tragen, die an die Funktionalitäten der festen Oberfläche binden können, sofern sie durch äußere Stimuli aktiviert werden, - oder Bereitstellen einer festen Oberfläche mit aktivierbaren Funktionalitäten und Kontaktieren der festen Oberfläche mit Hilfsstrukturen, die Einheiten mit Funktionalitäten tragen, - Einwirken eines äußeren Stimulus auf die feste Oberfläche mit den daran angeordneten Hilfsstrukturen, sodass die aktivierten Funktionalitäten der Hilfsstrukturen bzw. der festen Oberfläche an die anderen Funktionalitäten der festen Oberfläche bzw. der Hilfsstrukturen binden und damit die Hilfsstrukturen über die Einheiten an die feste Oberfläche binden, - Behandeln der festen Oberfläche mit den daran gebundenen Hilfsstrukturen mit Mitteln, welche die Bindung zwischen den Hilfsstrukturen und den gebunden Einheiten oder Fragmenten der gebundenen Einheiten spaltet, und - Ablösen der Hilfsstrukturen unter Zurücklassen der zuvor von den Hilfsstrukturen getragenen Einheiten oder Fragmenten dieser im Bereich der Kontaktstelle auf der festen Oberfläche.Alternatively, this method of making a device for binding molecules of the present invention may also be accomplished by the following steps: providing a solid surface with functionalities, contacting the solid surface with auxiliary structures carrying units with activatable functionalities that interfere with the functionalities binding the solid surface, if activated by external stimuli, - or providing a solid surface with activatable functionalities and contacting the solid surface with auxiliary structures carrying units with functionalities, - acting on the solid surface with the ones disposed thereon Auxiliary structures, so that the activated functionalities of the auxiliary structures or the solid surface bind to the other functionalities of the solid surface or the auxiliary structures and thus the auxiliary structures via the units to the f bonding the surface, treating the solid surface with the auxiliary structures attached thereto with means which cleave the bond between the auxiliary structures and the bound units or fragments of the bound units, and detaching the auxiliary structures leaving behind the units or fragments previously carried by the auxiliary structures this in the area of the contact point on the solid surface.
Beide Varianten nutzen ein und denselben Lösungsgedanken, indem mittels Hilfsstrukturen eine Oberfläche spezifisch und örtlich definiert aktiviert bzw. deaktiviert wird und so die erfindungsgemäß erforderlichen Parameter der Anordnungen realisiert werden.Both variants use one and the same solution idea, by means of auxiliary structures a surface is specifically and locally defined activated or deactivated and thus the inventively required parameters of the arrangements can be realized.
Vorzugsweise werden zur Aktivierung der aktivierbaren Funktionalitäten äußere Stimuli, wie elektromagnetische Wellen in Form von UV-Licht sowie Veränderungen der Temperatur, eingesetzt.Preferably, external stimuli, such as electromagnetic waves in the form of UV light and changes in temperature, are used to activate the activatable functionalities.
Vorzugsweise werden als Hilfsstrukturen im wesentlichen kugelförmige Gebilde eingesetzt, welche aus organischen oder anorganischen Polymeren, Metallen oder Metallverbindungen bestehen.Preferably, substantially spherical structures are used as auxiliary structures, which consist of organic or inorganic polymers, metals or metal compounds.
Um mehrere verschiedene Spezifitäten vorzusehen und eine Adressierbarkeit des Arrays zu gewährleisten, weisen die Hilfsstrukturen vorzugsweise eine Markierung auf, wobei vorzugsweise mehr als eine Art von markierten Hilfsstrukturen verwendet wird.In order to provide a plurality of different specificities and to ensure an addressability of the array, the auxiliary structures preferably have a marking, wherein preferably more than one type of marked auxiliary structures is used.
Besonders günstig ist dabei, wenn Hilfsstrukturen mit einer Fluoreszenz-Markierung eingesetzt werden, und vorzugsweise Hilfsstrukturen mit unterschiedlicher Fluoreszenz-Markierung verwendet werden.It is particularly advantageous if auxiliary structures are used with a fluorescence label, and preferably auxiliary structures are used with different fluorescence labeling.
Vorzugsweise trägt eine beliebige Hilfsstruktur nur eine spezifische Art von Einheiten, wie organische Gruppen, Nukleinsäuren oder Polypeptide, wobei eine Population von Hilfsstrukturen mit je unterschiedlich belegten Einheiten verwendet wird.Preferably, any auxiliary structure carries only one specific type of moiety, such as organic groups, nucleic acids, or polypeptides, using a population of substructures each having different occupied units.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im erfindungsgemäßen Verfahren sowohl die spezifische Fluoreszenz-Markierung der unterschiedlichen Hilfsstrukturen als auch die spezifische Belegung der Hilfsstrukturen mit Einheiten vor Aufbringen der Hilfsstrukturen auf die feste Oberfläche bekannt.According to a preferred embodiment, both the specific fluorescence labeling of the different auxiliary structures and the specific assignment of the auxiliary structures with units before applying the auxiliary structures to the solid surface are known in the method according to the invention.
Vorzugsweise ist aufgrund der Kenntnis der Positionen der fluoreszenz-markierten Hilfsstrukturen auf der festen Oberfläche die chemische Identität der von der Hilfsstrukturen hinterlassenen Einheiten nach der Ablösung der Hilfsstrukturen bekannt.Preferably, due to the knowledge of the positions of the fluorescence-labeled auxiliary structures on the solid surface, the chemical identity of the units left by the auxiliary structures after the detachment of the auxiliary structures is known.
Das Kontaktieren der festen Oberfläche mit den Hilfsstrukturen erfolgt vorzugsweise unter Zuhilfenahme von Schwerkraft, Zentrifugalkraft, Magnetkraft, elektrischer Anziehung, Anreicherung an Zweiphasen-Grenzschichten oder Kombinationen davon. 6The contacting of the solid surface with the auxiliary structures preferably takes place with the aid of gravity, centrifugal force, magnetic force, electrical attraction, enrichment at two-phase boundary layers or combinations thereof. 6
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Vorzugsweise wird als feste Oberfläche eine Glas-, Kunststoff-, Membran-, Metall-, oder Metalloxid-Oberfläche eingesetzt.Preferably, a glass, plastic, membrane, metal, or metal oxide surface is used as the solid surface.
Als besonders bevorzugte bindungsfähige Funktionalitäten haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung NH2-, SH-, OH-, COOH-, CI-, Br-, I-, Isothiocyanat-, Isocyanat-, NHS-Ester-, Sulfonyl-Chlorid-, Aldheyd-, Epoxid-, Carbonat-, Imidoester-, Anhydrid-, Maleimid-, Acryloyl-, Aziridin-, Pyridyl-Disulfid-, Diazoalkan-, Carbonyl-Diimidazol-, Cärbodiimid-, Disuccinimidyl Carbonat-, Hydrazine-, Diazonium-, Aryl-Azid-, Benzophenon-, Diazirin-Gruppen oder Kombinationen davon bewährt.Particularly preferred bondable functionalities in the context of the present invention are NH 2, SH, OH, COOH, CI, Br, I, isothiocyanate, isocyanate, NHS ester, sulfonyl chloride, aldehyde , Epoxide, carbonate, imidoester, anhydride, maleimide, acryloyl, aziridine, pyridyl disulfide, diazoalkane, carbonyl-diimidazole, Cärbodiimid-, disuccinimidyl carbonate, hydrazine, diazonium, aryl -Azid-, benzophenone, diazirine groups or combinations thereof proven.
Vorzugsweise können zwischen den bindungsfähigen Funktionalitäten und den zu bindenden Einheiten oder zwischen der festen Oberfläche und den bindungsfähigen Funktionalitäten ein Spacer-Molekül vorgesehen wird.Preferably, a spacer molecule can be provided between the bondable functionalities and the units to be bound or between the solid surface and the bondable functionalities.
Bei einer besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Herstellung einer Anordnung zur Bindung von Molekülen folgende Schritte eingesetzt: - Bereitstellen einer festen Oberfläche mit bindungsfähigen Funktionalitäten, vorzugsweise Maleimid-Funktionalitäten, - Kontaktieren der festen Oberfläche mit Hilfsstrukturen, die Einheiten, insbesondere Nukleinsäuren oder Polypeptide, über molekulare Erkennung gebunden haben und welche terminale Thiol-Funktionalitäten tragen, die an die feste Oberfläche bindenden können, so dass die Hilfsstrukturen an die feste Oberfläche gebunden werden, - Behandeln der festen Oberfläche mit den daran gebundenen Hilfsstrukturen mit thiolhältigem Reagenzien, vorzugsweise beta-Mercaptoethanol, welche die Funktionalitäten, insbesondere die Maleimid-Funktionalitäten, die nicht mit den Hilfsstrukturen verbunden sind, inaktivieren, - Behandeln der festen Oberfläche mit den daran gebundenen Hilfsstrukturen mit einem physikalischen oder chemischen Stimulus, insbesondere mit erhöhter Temperatur, welche die molekulare Erkennung zwischen den Hilfsstrukturen und den gebundenen Einheiten rückgängig macht, und - Ablösen der Hilfsstrukturen unter Zurücklassen der zuvor von den Hilfsstrukturen getragenen Einheiten im Bereich der Kontaktstelle auf der festen Oberfläche.In a particular embodiment of the method according to the invention, the following steps are used to prepare a device for binding molecules: providing a solid surface with binding functionalities, preferably maleimide functionalities, contacting the solid surface with auxiliary structures, the units, in particular nucleic acids or polypeptides, have linked via molecular recognition and which carry terminal thiol functionalities that can bind to the solid surface such that the auxiliary structures are bound to the solid surface, treating the solid surface with the auxiliary structures bound thereto with thiol-containing reagents, preferably beta-mercaptoethanol which inactivate the functionalities, in particular the maleimide functionalities, which are not associated with the auxiliary structures, - treating the solid surface with the associated auxiliary structures with a physical chemical or chemical stimulus, in particular at elevated temperature, which reverses the molecular recognition between the auxiliary structures and the bonded units, and - detachment of the auxiliary structures, leaving the previously supported by the auxiliary structures units in the region of the contact point on the solid surface.
Gemäß einer weiteren besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Herstellung einer Anordnung zur Bindung von Molekülen folgende Schritte eingesetzt: - Bereitstellen einer festen Oberfläche mit Funktionalitäten, insbesondere Aminen, - Kontaktieren der festen Oberfläche mit Hilfsstrukturen, die Einheiten, insbesondere organische Moleküle einer kombinatorischen Bibliothek, mit aktivierbaren Funktionalitäten, insbesondere photoaktivierbare Phenylazide, tragen, die an die Funktionalitäten, insbesondere Amin-Funktionalitäten, der festen Oberfläche binden können, sofern sie insbesondere durch einen UV-Licht-Beleuchtungsschritt aktiviert werden, wobei die Einheiten über chemisch spaltbare Funktionalitäten, insbesondere Disulfid-Brücken, an die Hilfsstrukturen gebunden sind, - lokalisiertes Einwirken eines äußeren Stimulus, insbesondere UV-Licht, auf die feste Oberfläche mit den daran angeordneten Hilfsstrukturen, sodass die Einheiten insbesondere mit den photoaktivierten Phenylaziden an die Funktionalitäten, insbesondere die Amin-Funktionalitäten, binden und damit die Hilfsstrukturen an die feste Oberfläche gebunden werden, wobei der äußere Stimulus, insbesondere in Form eines evaneszierenden Feldes von UV-Licht, eingesetzt wird und lokalisiert auf Funktionalitäten an der festen Oberfläche wirkt sowie an jenen Teilen der Hilfsstrukturen, die im Bereich des evanszierenden Feldes sind, - Behandeln der festen Oberfläche mit den daran gebundenen Hilfsstrukturen mit Mitteln, insbesondere Dithiothreitol, welche die Disulfid-Brücken zwischen den Hilfsstrukturen und den gebunden Einheiten oder Fragmenten der gebundenen Einheiten spalten, und - Ablösen der Hilfsstrukturen unter Zurücklassen der zuvor von den Hilfsstrukturen getragenen 7According to a further particular embodiment of the method according to the invention, the following steps are used to produce a device for binding molecules: providing a solid surface with functionalities, in particular amines, contacting the solid surface with auxiliary structures, the units, in particular organic molecules of a combinatorial library, with activatable functionalities, in particular photoactivatable phenylazides, which can bind to the functionalities, in particular amine functionalities, of the solid surface, insofar as they are activated in particular by a UV light illumination step, the units having chemically cleavable functionalities, in particular disulfide Bridges, are bound to the auxiliary structures, - localized exposure of an external stimulus, in particular UV light, on the solid surface with the auxiliary structures arranged thereon, so that the units in particular bind with the photoactivated phenylazides to the functionalities, in particular the amine functionalities, and thus the auxiliary structures are bound to the solid surface, wherein the external stimulus, in particular in the form of an evanescent field of UV light, is used and localized to functionalities at the solid surface acts as well as on those parts of the auxiliary structures that are in the area of the evanescent field, - treating the solid surface with the auxiliary structures attached thereto with agents, in particular dithiothreitol, which binds the disulfide bridges between the auxiliary structures and the bound units or fragments of the Splitting units, and detaching the auxiliary structures leaving the 7 previously supported by the auxiliary structures
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Einheiten oder Fragmenten dieser im Bereich der Kontaktstelle auf der festen Oberfläche.Units or fragments of these in the area of the contact point on the solid surface.
Die Erfindung betrifft natürlich auch Anordnungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich sind. 5Of course, the invention also relates to arrangements obtainable by the method according to the invention. 5
Die erfindungsgemäßen Anordnungen werden gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung im Rahmen einer Fluoreszenz-Mikroskopie-Untersuchung (vor allem für Einzelmolekül-Untersuchungen), insbesondere der "Single Dye Tracing" (SDT) Methode, genutzt. io Insbesondere können die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Bindung von Biomolekülen, insbesondere zur Bindung von Antigenen, Liganden, Proteinen, DNS, mRNS, Toxinen, Viren, Bakterien, Zellen oder Kombinationen davon, verwendet werden und dann alle mit diesen Anordnungen mögliche Verfahren (z.B. Detetions- und Analyseverfahren) durchgeführt werden. 15 Weiters werden die erfindungsgemäßen Anordnungen zur Untersuchung von cDNS von Zellen, wobei fluoreszenzmarkierte cDNSs an die Anordnung von verschiedenen Oligonukleotiden binden, und die Bindung für jede gebundene cDNS-Art ausgelesen werden kann, verwendet.The arrangements according to the invention are in accordance with another aspect of the invention in the context of a fluorescence microscopy study (especially for single-molecule studies), in particular the "Single Dye Tracing". (SDT) method used. In particular, the arrangements according to the invention can be used for the binding of biomolecules, in particular for the binding of antigens, ligands, proteins, DNA, mRNA, toxins, viruses, bacteria, cells or combinations thereof, and then all possible methods with these arrangements (eg detection and analysis methods). Furthermore, the inventive arrangements for assaying cDNA from cells wherein fluorescently labeled cDNAs bind to the array of different oligonucleotides and the binding can be read for each bound cDNA species are used.
Die erfindungsgemäßen Anordnungen werden bevorzugt auch zur Untersuchung der Proteine 20 von Zellen verwendet, wobei fluoreszenzmarkierte Proteine an die Anordnung von verschiedenen Antikörpern binden und die Bindung für jede gebundene Protein-Art ausgelesen werden kann.The inventive arrangements are also preferably used to study the proteins 20 of cells, where fluorescently labeled proteins can bind to the array of different antibodies and the binding can be read for each bound protein species.
Die Realisierung einer freien Fläche mit ~ 1 pm Durchmesser um jeden "Bindungsplatz" (ein-25 zelnes "Fängermolekül" oder eine Gruppe gleicher "Fängermoleküle") bei Flächendichten der "Bindungsplätze" im Bereich von vorzugsweise 106 bis 108/cm2 stellt eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.Realizing a ~ 1 pm diameter free area around each " binding site " (one-half "catcher molecule" or a group of like "catcher molecules") at face densities of " binding sites " in the range of preferably 106 to 108 / cm 2 represents a preferred embodiment of the present invention.
Eine weitere Besonderheit bevorzugter erfindungsgemäßer Anordnungen ist die Realisierung 30 der Adressierbarkeit der Bindungsplätze. Für die avisierten Anwendungen sollten die Position und Anzahl der Bindungsplätze möglichst genau und a priori bekannt sein, sowie die Art der Moleküle auf jedem Bindungsplatz. Eine solche Adressierbarkeit der Bindungsplätze bezüglich sowohl Position als auch Funktion (spezifische molekulare Erkennung eines Analyt-Moleküls) stellt den Schlüssel für zugleich einfache und breite Anwendung dar. Für die erfindungsgemäße 35 Anordnung mit z.B. Antikörpern und Oligonukleotiden ist bekannt, gegen welches Protein welcher Antikörper an welchem Ort gerichtet ist und welches Oligonukleotid mit welcher DNS oder Boten-RNS Sequenz an welcher Stelle der Matrix hybridisiert. Ohne Adressierbarkeit lässt sich kein Zusammenhang hersteilen zwischen den Beobachtungen an einer Bindungsstelle und der Art des gebundenen Moleküls. Es wäre keine Molekül-spezifische Aussage möglich, und damit 40 würde der zentrale Vorteil der Anwendung von Einzelmolekül-Mikroskopie auf die beschriebenen Aufgabenstellungen entfallen. Über Adressierbarkeit können Proben vieler verschiedener Biomoleküle durch Markierung mit nur einem Fluoreszenzmarker aufgeschlüsselt werden, denn der Fluoreszenz-Nachweis an 45 einem bestimmten Ort bedeutet Bindung an ein bekanntes Fängermolekül. Ohne funktionelle Adressierbarkeit müssten die Analyt-Moleküle entweder einzeln markiert und sequentiell vermessen werden, oder viele verschiedene Farbstoffe zur farb-spezifischen Markierung gleichzeitig eingesetzt werden, was entweder undurchführbar ist oder sehr schnell an praktische Grenzen stößt. 50Another feature of preferred arrangements according to the invention is the realization of the addressability of the binding sites. For the intended applications, the position and number of binding sites should be as accurate and a priori known, as well as the type of molecules on each binding site. Such addressability of the binding sites with respect to both position and function (specific molecular recognition of an analyte molecule) is the key to both simple and broad application. For the inventive arrangement with e.g. Antibodies and oligonucleotides are known against which protein which antibody is directed at which site and which oligonucleotide hybridizes with which DNA or messenger RNA sequence at which site of the matrix. Without addressability, no correlation can be established between observations at a binding site and the nature of the bound molecule. No molecule-specific statement would be possible, and thus the central advantage of the application of single-molecule microscopy to the problems described would be omitted. Via addressability, samples of many different biomolecules can be broken down by labeling with only one fluorescence marker, since fluorescence detection at a specific site means binding to a known capture molecule. Without functional addressability, the analyte molecules would need to be either individually labeled and sequentially measured, or many different dyes used for color-specific labeling simultaneously, either impracticable or reaching practical limits very quickly. 50
Durch die Adressierbarkeit werden nicht nur Zugänge zu Informationen erleichtert, sondern auch die Rechenzeit für Datenaufnahme und Auswertungen wird in einen vertretbaren Bereich verschoben. Tatsächlich würde ohne Vorkenntnis alleine der Positionen der Bindungsstellen die Rechenzeit mit schnellen Rechnern und schnellen Algorithmen lange Zeit in Anspruch nehmen, 55 da die notwendige Suche der Molekülpositionen (Maxima der Einzelmolekül-Fluoreszenz Inten- 8The addressability not only facilitates access to information, but also the computing time for data acquisition and evaluations is postponed within a reasonable range. In fact, without prior knowledge alone, the positions of the binding sites would take a long time to calculate the computation time with fast computers and fast algorithms, 55 since the necessary search of the molecular positions (maxima of single-molecule fluorescence intensity)
AT 414 047 B sität) von ~108 Molekülen rechenintensiv ist.AT 414 047 B) of ~ 108 molecules is computationally intensive.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Anforderungen zur Realisierung einer Molekül-Matrix (forthin abgekürzt durch "MARS, Matrix of Addressable Recognition Sites") lassen sich wie folgt zusammenfassen:The requirements underlying the invention for the realization of a molecular matrix (hereinafter abbreviated to "MARS, Matrix of Addressable Recognition Sites") can be summarized as follows:
Die Bindungsstellen zur molekularen Erkennung (Fängermoleküle, einzeln oder in Gruppen gleicher) sollen auf dem "MARS" vorzugsweise in folgender Weise in Kombinationen vorliegen: 1. Isoliert detektierbar (keine Moleküle im Radius von mind. ~0,5 um Bindungsstelle) 2. Position jeder Bindungsstelle soll a priori bekannt sein 3. Funktion jeder Bindungsstelle soll a priori bekannt sein 4. Die Dichte an unterschiedlichen adressierbaren Bindungsstellen soll hoch sein (10® bis 108/cm2).The binding sites for molecular recognition (capture molecules, either singly or in groups of the same) should be identified on the " MARS " preferably in the following way in combinations: 1. Isolated detectable (no molecules in the radius of min. ~ 0.5 μm binding site) 2. Position of each binding site should be known a priori 3. Function of each binding site should be known a priori 4. Die Density at different addressable binding sites should be high (10® to 108 / cm2).
Die Erfindung bezieht sich demgemäß insbesondere auf die Fabrikation von Matrizen von organischen Molekülen oder Biomolekülen (z.B. Antikörper, Rezeptoren, Peptide, Oligonukleotide oder Nukleinsäuren), die über geeignete Hilfsstrukturen an eine Substratoberfläche übertragen und gebunden werden, dergestalt, dass die übertragenen Biomoleküle einzeln oder in Gruppen gleicher Moleküle isoliert vorliegen, d.h. isoliert beobachtbar mit optischer Einzel-Molekül Mikroskopie. Sowohl die Position als auch die Art jedes einzelnen Biomoleküls oder jeder isolierten Gruppe gleicher Moleküle ist vorab bekannt, wobei die mittlere Flächendichte der gebundenen Moleküle sehr hohe Werte erreichen soll. Die Anwendung dieser adressierbaren Molekül-Matrizen dient der Quantifizierung der spezifischen Bindung (molekulare Erkennung) von Bindungspartnern (z.B. Antigene, Liganden, Proteine, DNS, Boten-RNS, Toxine, Viren, Bakterien, Zellen, etc.), unter Einsatz der Fluoreszenz-Markierung der Bindungspartner und einer neuen, patentierten Mikroskopie Methode ("Single Dye Tracing, SDT"), die das Lesen dieser Molekül-Matrizen mit zugleich hoher Empfindlichkeit (Abbildung bis zu einzelnen Fluoreszenz-Moleküle) und sehr hoher Geschwindigkeit gestattet.Accordingly, the invention relates in particular to the fabrication of templates of organic molecules or biomolecules (eg, antibodies, receptors, peptides, oligonucleotides, or nucleic acids) which are transferred and bound via suitable ancillary structures to a substrate surface such that the biomolecules transferred are isolated or isolated Isolated groups of the same molecules are present, ie isolated observable with optical single-molecule microscopy. Both the position and the nature of each individual biomolecule or of each isolated group of identical molecules is known in advance, whereby the mean surface density of the bound molecules should reach very high values. The application of these addressable molecular matrices serves to quantify the specific binding (molecular recognition) of binding partners (eg antigens, ligands, proteins, DNA, messenger RNA, toxins, viruses, bacteria, cells, etc.), using the fluorescence Labeling of the binding partners and a new, patented microscopy method (Single Dye Tracing, SDT), which allows the reading of these molecule templates with high sensitivity (imaging down to single fluorescence molecules) and very high speed.
Im Folgenden werden nunmehr bevorzugte Realisierungen der erfindungsgemäßen Anordnungen anhand der in den Zeichnungsfiguren schematisch skizzierten Ausführungen beschrieben.In the following, preferred implementations of the arrangements according to the invention will now be described with reference to the embodiments sketched schematically in the drawing figures.
Zur Erfüllung der erfindungsgemäß gestellten Aufgaben können bevorzugter Weise Hilfsstrukturen verwendet werden (FIG. 1A), insbesondere Kugeln (3, 11) aus organischen oder anorganischen Stoffen mit Durchmessern (18), die vom Verwendungszweck abhängen und im Bereich von ~ 0.5 pm bis ~100 pm liegen. Jede Kugel (3,11) trägt "Fängermoleküle" (4, 6) und zwar nur je einer Art. Durch Zugabe der Kugeln an ein Substrat (1) kommen die "Fängermoleküle" (5, 7, 12, 13) in Kontakt zur Substratoberfläche und es wird eine kontrollierte Übertragung (8, 14) von "Fängermolekülen" (5, 7, 12, 13) von den Kugeln (3, 11) auf die Substratoberfläche ermöglicht, dergestalt dass Bindungsstellen (einzelne oder Gruppen gleicher "Fängermoleküle") entstehen, die räumlich von einander getrennt sind (9, 10, 15, 16). FIG. 1B skizziert die einzelnen Schritte des Vorganges zur Übertragung exemplarisch an einem übertragenen "Fängermolekül". Die "Fängermoleküle" (z.B. Antikörper, Oligonukleotide, etc.; Symbol Y in FIG. 1B) sind an die Kugeln gebunden, vorzugsweise über molekulare Erkennung durch komplementäre Biomoleküle (z.B. Epitope für Antikörper, komplementäre Oligonukleotide, etc.; Symbol X in FIG. 1B), welche unmittelbar oder über flexible Abstandsmoleküle an die Kugeloberfläche gebunden sind. Die Kugeln werden bevorzugt in flüssiger Phase dem Substrat zugegeben und lagern sich an dessen Oberfläche an. Bei geeigneten Bedingungen kann eine hexagonal dichte Packung erreicht werden. Ihre unspezifische Wechselwirkung mit dem Substrat ist schwach im Vergleich zu der spezifischen Bindung der "Fängermoleküle". Die "Fängermoleküle" (4, 6) binden (FIG. 1B: 5, 7, 12, 13) kovalent oder über spezifische nichtkovalente molekulare Wechselwirkung an die Oberfläche des Substrats (1). Die Bindungsstärke eines "Fängermoleküls" reicht aus, um die Kugel an der Bindungsstelle festzuhalten. Nach der Fixie- θ ΑΤ 414 047 Β rung von "Fängermolekülen" an das Substrat werden die Kugeln von der Oberfläche entfernt (36) und die "Fängermoleküle" bleiben an der Kontaktstelle zur Kugel am Substrat zurück (9, 10, 15, 16). Bei der Ablösung der Kugeln werden die molekularen Erkennungskomplexe zwischen den übertragenen "Fängermolekülen" und den an die Kugeln gebundenen komple-5 mentären Molekülen dissoziiert. Die Bindungen der molekularen Erkennung können durch Wahl spezifischer Bedingungen der flüssigen Phase leicht und ohne Schaden der "Fängermoleküle" gelöst werden ohne dass die Fixierung der "Fängermoleküle" vom Substrat rückgängig gemacht wird. Andere Methoden zur Ablösung sind die Anwendung von Zugkräften (bei Verwendung von magnetischen Kugeln (Edelstein et al., 2000)) oder hydrodynamischen Scherkräften. 10Auxiliary structures (FIG. 1A), in particular spheres (3, 11) of organic or inorganic materials with diameters (18), which depend on the intended use and in the range of ~ 0.5 pm to ~ 100, may be used to fulfill the objects set forth herein pm lie. Each sphere (3,11) carries " catcher molecules " (4, 6) and only one of each type. By adding the spheres to a substrate (1), the " catcher molecules " (5, 7, 12, 13) in contact with the substrate surface and a controlled transfer (8, 14) of " catcher molecules " (5, 7, 12, 13) from the spheres (3, 11) on the substrate surface, such that binding sites (individual or groups of like "catcher molecules") are formed, which are spatially separated from one another (9, 10, 15, 16). FIG. 1B outlines the individual steps of the transmission process by way of example on a transmitted " catcher molecule ". The " catcher molecules " (eg, antibodies, oligonucleotides, etc., symbol Y in FIGURE 1B) are bound to the beads, preferably via molecular recognition by complementary biomolecules (eg, epitopes for antibodies, complementary oligonucleotides, etc., symbol X in FIGURE 1B) are bound to the spherical surface directly or via flexible spacer molecules. The spheres are preferably added in the liquid phase to the substrate and are deposited on the surface thereof. Under suitable conditions, a hexagonal packing can be achieved. Their nonspecific interaction with the substrate is weak compared to the specific binding of the " catcher molecules ". The " catcher molecules " (4, 6) bind (Figure 1B: 5, 7, 12, 13) covalently or via specific noncovalent molecular interaction to the surface of the substrate (1). The bond strength of a " catcher molecule " is enough to hold the sphere at the binding site. After fixation of " catcher molecules " to the substrate, the balls are removed from the surface (36) and the " catcher molecules " remain at the point of contact with the ball on the substrate (9, 10, 15, 16). Upon detachment of the spheres, the molecular recognition complexes between the transferred " catcher molecules " and dissociate the complex molecules bound to the spheres. The molecular recognition bindings can be easily selected by selecting specific liquid phase conditions without harming the " catcher molecules " be solved without the fixation of " catcher molecules " is undone by the substrate. Other methods of detachment are the use of tensile forces (using magnetic balls (Edelstein et al., 2000)) or hydrodynamic shear forces. 10
Die von den Kugeln hinterlassenen "Abdrücke" sind entweder einzelne "Fängermoleküle" (FIG. 1A: 9,10), bei Verwendung von Kugeln entsprechend geringer Besetzungsdichte (3), oder Gruppen von M Fängermolekülen (FIG. 1A: 15, 16), bei Verwendung von Kugeln mit entsprechend hoher Dichte gebundener "Fängermoleküle" (11). In beiden Fällen ist der Mindestabstand 15 der Bindungsstellen (2) durch den Durchmesser der Kugeln (18) gegeben, reduziert um den Durchmesser des Bindungsbereiches (17). Die erreichbare Dichte von Bindungsstellen entspricht der Dichte der Übertragungs-Kugeln, die eine hexagonal dichte Packung erreichen kann. Allerdings wird durch die Zugabe von Kugeln und deren zufällige Bindung über "Fängermoleküle" nicht die maximale Dichte erreicht, jedoch ist etwa 25% der maximalen Dichte leicht 20 erreichbar, eine für alle Anwendungen genügend hohe Dichte. Zum Beispiel, mit d = 1 pm Kugeln werden bei dieser Dichte pro cm2 (vorgesehene normale Fläche der Molekül-Matrix) etwa 30 Millionen Bindungsstellen übertragen.The " prints " left by the bullets are either single " catcher molecules " (FIG 1A: 9, 10) using spheres of correspondingly low population density (FIG. 3), or groups of M capture molecules (FIG. 1A: 15, 16), using spheres of correspondingly high density bonded " capture molecules " (11). In both cases, the minimum distance 15 of the binding sites (2) given by the diameter of the balls (18), reduced by the diameter of the binding region (17). The achievable density of binding sites corresponds to the density of the transfer spheres, which can reach a hexagonal dense packing. However, the addition of spheres and their random attachment via " catcher molecules " not reaching the maximum density, however, about 25% of the maximum density is easily achievable, a density high enough for all applications. For example, with d = 1 pm spheres, approximately 30 million binding sites are transferred at this density per cm2 (intended normal area of the molecular matrix).
Die Anzahl der pro "Abdruck" übertragenen "Fängermoleküle" hängt von mehreren Faktoren ab 25 und kann dadurch gesteuert werden. Zwei wichtige Faktoren sind die Flächendichte der "Fängermoleküle" auf der Kugel sowie die Bindungskapazität des Substrates gegenüber den "Fängermolekülen". Zudem wird die Anzahl der übertragenen "Fängermoleküle" auch von der Größe der Kontaktfläche (FIG 1A: 17) zwischen Kugel (11) und Substrat (1) beeinflusst. 30 Eine größere Kontaktfläche ergibt sich bei Einsatz von Substraten, die mit einer komprimierbaren Polymerschicht belegt sind. Bei Verwendung einer Beschichtung mittels linearer flexibler Polymerketten lässt sich der Radius des Kontaktbereichs (17), r, berechnen aus dem Kugeldurchmesser (18), d, und der effektiven Polymerlänge, h, mit der Beziehung r2~h*d. Für das flexible Abstandsmolekül PEG (Polyethylen Glykol), Mw = 2000 mit maximal gestreckter Länge 35 von 15 nm ergibt sich aus gemessenen Werten für dessen Flexibilität (Jeppesen et al., 2001) ein dynamischer Längenbereich von h = 5 -10 nm. Dies ergibt für eine Kugel mit einem Durchmesser (18) von d = 1 pm einen Bindungsbereich (17) mit dem Radius r = 70 - 100 nm. Kugeln mit hoher Besetzungsdichte (11), M "Fängermoleküle" pro r2, erlauben dann die Übertragung von etwa M "Fängermolekülen". M ist in einem weiten Bereich einstellbar mit etablierten Verfah-40 ren zur Besetzung von Kugeln mit Biomolekülen über molekulare Erkennung, mit Dichten bis zu 1/50 nm2. Zum Beispiel, mit einer Kugel mit d = 1 pm lässt sich so eine Gruppe von M "Fängermolekülen" übertragen, einstellbar zwischen M = 1 und M - 200, mit einer statistischen Abweichung von M1/2. 45 Zur Übertragung (FIG. 1A: 8) von einzelnen "Fängermolekülen" (9, 10) werden Kugeln mit geringer Besetzung von "Fängermolekülen" (3) eingesetzt. Die Zuverlässigkeit von Einzel-Molekül Übertragung lässt sich gut abschätzen für experimentell kontrollierbare Bedingungen. Die mittlere Zahl der "Fängermoleküle" an der Kugel sei <N>. Bei geringen Werten von <N> kann zufällige Verteilung angenommen werden, sowohl der Zahl N der "Fängermoleküle" auf so einzelnen Kugeln (Poissonverteilung mit Mittelwert <N>) als auch der Verteilung der N "Fängermoleküle" auf der Oberfläche jeder Kugel, wobei die Wahrscheinlichkeit des Auffindens von M der N "Fängermoleküle" in der Kontaktfläche durch die Binomialverteilung beschrieben ist. Das liefert ohne weitere Annahmen eine Formel zur Abschätzung der Fehler-Wahrscheinlichkeit, dass im Kontaktbereich mehr als ein "Fängermolekül" gebunden ist: P(>1) = 55 (<N>* (r/d)2)2. Für <N> = 3, einem Kugeldurchmesser (18) d = 1 pm, und einem Durchmesser 10The number of per " impression " transferred " catcher molecules " depends on several factors 25 and can be controlled by it. Two important factors are the areal density of " catcher molecules " on the sphere as well as the binding capacity of the substrate to the " catcher molecules ". In addition, the number of transmitted " catcher molecules " also influenced by the size of the contact surface (FIG. 1A: 17) between ball (11) and substrate (1). 30 A larger contact area results when using substrates that are coated with a compressible polymer layer. When using a coating using linear flexible polymer chains, the radius of the contact region (17), r, can be calculated from the sphere diameter (18), d, and the effective polymer length, h, with the relationship r 2 ~ h * d. For the flexible spacer molecule PEG (polyethylene glycol), Mw = 2000 with a maximum elongated length 35 of 15 nm, measured values for its flexibility (Jeppesen et al., 2001) result in a dynamic length range of h = 5 -10 nm for a sphere with a diameter (18) of d = 1 pm, a bond region (17) with the radius r = 70-100 nm. High occupation density spheres (11), M " catcher molecules " pro r2, then allow the transfer of about M " catcher molecules ". M can be adjusted in a wide range using established methods for the occupation of spheres with biomolecules via molecular recognition, with densities of up to 1/50 nm2. For example, with a sphere of d = 1 pm, a group of M " catcher molecules " adjustable, adjustable between M = 1 and M - 200, with a statistical deviation of M1 / 2. 45 For transmission (FIG. 1A: 8) of individual " catcher molecules " (9, 10) are bullets with low population of " catcher molecules " (3) used. The reliability of single-molecule transfer can easily be estimated for experimentally controllable conditions. The mean number of " catcher molecules " on the ball, let <N>. At low values of < N > random distribution can be assumed, both the number N of " catcher molecules " on individual spheres (Poisson distribution with mean <N>) as well as the distribution of N " catcher molecules " on the surface of each sphere, the probability of finding M of the N " catcher molecules " is described in the contact area by the binomial distribution. This provides, without further assumptions, a formula for estimating the error probability that more than one " catcher molecule " P (> 1) = 55 (< N > * (r / d) 2) 2. For < N > = 3, a ball diameter (18) d = 1 pm, and a diameter 10
AT 414 047 B (17) der effektiven Kontaktfläche für Bindung von 2r = 200 nm (konservativer Wert, siehe oben) ist P(>1) ^ 0.0009, d.h. höchstens jede 1000te Kugel überträgt zwei "Fängermoleküle". Die Tatsache, dass sich statistisch an jeder ~20ten Kugel kein "Fängermolekül" befindet, hat keinen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis (geringfügige Reduktion der mittleren Dichte der Bin-5 dungsstellen). Für noch geringere Besetzung der Kugeln, zum Beispiel für <N> = 1, steigt die Zuverlässigkeit der Übertragung einzelner "Fängermoleküle" an (höchstens jede 10000te Bindungsstelle trägt zwei "Fängermoleküle"), aber auch der Anteil der Kugeln ohne "Fängermoleküle" steigt auf -37%. io Um die Position der Abdrücke der übertragenen "Fängermoleküle" am Substrat zu bestimmen, werden die Positionen der Kugeln vor ihrer Ablösung gemessen (FIG. 2: 22). Auch hierfür ist der Einsatz der SDT-scan Methode vorteilhaft. Bei Verwendung von fluoreszierenden Kugeln kann die Position jeder Kugel aus seinem Abbild (24) auf dem Pixel-Array (23) der bei der SDT-Methode eingesetzten CCD (Charged Coupled Device) Kamera sehr genau bestimmt werden, 15 zu etwa 40 nm (Hesse et al., 2002). Für praktische Anwendungen genügt die ungenauere Zuordnung einzelner Pixel zu jeder Kugel (FIG. 2: 26 sowie FIG. 3: 26) wodurch die limitierende Zeit der Datenauswertung wesentlich verkürzt wird, auf etwa die Zeit der Datenaufnahme. Neben den Kugeln, die zur Herstellung von Bindungsstellen benutzt werden, enthält die Matrix noch Kugeln, die als Positionsreferenzen dienen (FIG. 2: 19 und FIG. 3: 19). Diese Kugeln 20 tragen reaktive Funktionalitäten (FIG. 2: 20) in hoher Dichte und werden an das Substrat über mehrere kovalente oder nicht-kovalente Bindungen (FIG. 2: 21) fixiert und können nicht mehr abgelöst werden. Sie sind fluoreszierend und geben ein signifikant größeres Signal (FIG. 2: 25) auf dem Pixel-Array (FIG. 2: 23). Nach dem Ablösen der Übertragungs-Kugeln verbleiben die Referenz-Kugeln auf dem Substrat und deren Positionen (FIG. 2: REF 1) geben ein langlebiges 25 Raster zum Wiederfinden (FIG. 3:27) der Positionen der Bindungsstellen (FIG. 3: 26). Die SDT-scan Methode erlaubt das Wiederfinden jeder Position einer Oberfläche, die zu nur 0.1 % mit zufällig verteilten Referenzkugeln bedeckt ist, mit einer Präzision weit unter einem Pixel, auch nach zwischenzeitigem Entfernen der Matrix vom SDT-scan Mikroskop. 30 Zur Realisation der funktionalen Adressierbarkeit (a priori Zuordnung von Typ und Zahl von "Fängermolekülen" zu den Bindungsstellen) wird Farbkodierung der Kugeln eingesetzt (FIG. 4). Farbkodierung von Kugeln aus anorganischen oder organischen Polymeren der fraglichen Größe ist Stand der Technik und wird in einigen Varianten von Firmen angeboten (Bangs, Luminex, Microparticles, micromod, dynal). Hierbei befinden sich fluoreszierende Moleküle 35 verschiedener Farben in den Kugeln, wobei die Zahlen der Moleküle jeder Farbe auf definiert abgestufte Werte eingestellt werden können. Bei n verschiedenen Farben und m verschiedenen Konzentrationen jedes Fluorophors lassen sich im Prinzip mn -1 in ihrer Fluoreszenz unterscheidbare Kugeln herstellen. Durch Bindung von bestimmten "Fängermolekülen" an Kugeln mit bestimmtem Farbkode wird über Fluoreszenzmessung der gebundenen Kugeln für jede Bin-40 dungsstelle (Fig. 4: 26) ein Farbkode (33, 34) gemessen, der angibt, welches "Fängermolekül" an der Bindungsstelle vorliegt. Auf Grund der extremen Empfindlichkeit der SDT-Methode können Kugeln hinsichtlich der Abstufungen ihrer Fluoreszenz-Intensität und hinsichtlich ihrer Position genau vermessen werden. In FIG. 4 ist das für 5 Abstufungen 0, 1, 2, 3, und 4 (kommerziell erhältlich sind bis zu 10 Abstufungen für den gleichen Farbstoff) der Fluoreszenz von 4 ver-45 schiedenen Farbstoffen skizziert. Für jede Farbe wird das Fluoreszenzbild der Kugelmatrix (FIG.4) getrennt aufgenommen. Dies ergibt für jede Kugelposition (FIG. 4: 26) einen Farbkode (33), zum Beispiel 1314 für die Kugel an der Stelle 2, 7, bestimmt aus den 4 verschiedenen Fluoreszenz-Intensitäten (29, 30, 31, 32) für diese Kugel. Mit den 4 Farben und den 5 Abstufungen lassen sich 54 -1 = 624 verschiedene Kugeln unterscheiden. Die optische Auflösung der so SDT-scan Methode lässt vermutlich die Unterscheidung von Bibliotheken mit Tausenden verschiedener Farbkode-Kugeln zu, wobei allerdings die Erstellung solch großer Bibliotheken einen erheblichen technischen Aufwand erfordert. Für jede Kugel der Matrix wird die Pixelposition und der Farbkode einschließlich jener der Referenzkugeln (34) mit hoher Fluoreszenzintensität (28) gespeichert. Dieser Datensatz dient nach der Ablösung (FIG. 5: 36) der Übertragungs-55 Kugeln der Identifizierung der Bindungsstellen innerhalb der Matrix. Die ~1 cm2 große Matrix 1 1AT 414 047 B (17) of the effective contact area for 2r = 200 nm binding (conservative value, see above) is P (> 1) ^ 0.0009, i. at most every 1000th ball transmits two "catcher molecules". The fact that, statistically, no " catcher molecule " has no significant influence on the result (slight reduction in the mean density of the binding sites). For even less occupation of the balls, for example for < N > = 1, the reliability of transmission of individual " catcher molecules " (at most every 10000th binding site carries two " catcher molecules "), but also the proportion of spheres without " catcher molecules " rises to -37%. io To check the position of the imprints of the transmitted " catcher molecules " At the substrate, the positions of the spheres are measured prior to their detachment (Figure 2: 22). Again, the use of the SDT-scan method is advantageous. When using fluorescent spheres, the position of each sphere from its image (24) on the pixel array (23) of the CCD (Charged Coupled Device) camera used in the SDT method can be determined very accurately, 15 to about 40 nm (Hesse et al., 2002). For practical applications, the more inaccurate assignment of individual pixels to each sphere (FIGS. 2: 26 and FIG. 3: 26) is sufficient, as a result of which the limiting time of the data evaluation is substantially shortened to about the time of the data acquisition. In addition to the spheres used to make binding sites, the matrix also contains spheres that serve as position references (Figures 2: 19 and 3: 19). These spheres 20 carry reactive functionalities (FIG.2: 20) in high density and are fixed to the substrate through multiple covalent or noncovalent bonds (FIG.2: 21) and can not be peeled off. They are fluorescent and give a significantly larger signal (FIG.2: 25) on the pixel array (FIG.2: 23). Upon detachment of the transfer spheres, the reference spheres remain on the substrate and their positions (FIGURE 2: REF 1) give a long-lived 25 frame to retrieve (FIGURE 3:27) the positions of the binding sites (FIGURE 3: 26) ). The SDT-scan method allows you to retrieve every position of a surface that is only 0.1% covered with randomly distributed reference spheres, with a precision well below a pixel, even after interim removal of the matrix from the SDT-scan microscope. In order to realize the functional addressability (a priori assignment of type and number of "catcher molecules" to the binding sites) color coding of the spheres is used (FIG. 4). Color coding of balls of inorganic or organic polymers of the size in question is state of the art and is offered in some variants by companies (Bangs, Luminex, Microparticles, micromod, dynal). Here are fluorescent molecules 35 of different colors in the spheres, whereby the numbers of the molecules of each color can be set to defined graded values. With n different colors and m different concentrations of each fluorophore, in principle, mn-1 distinguishable in their fluorescence spheres can be produced. By binding certain " catcher molecules " on spheres of particular color code, fluorescence measurement of the bound spheres for each bin site (Figure 4: 26) measures a color code (33, 34) indicating which " catcher molecule " present at the binding site. Due to the extreme sensitivity of the SDT method, spheres can be accurately measured for their levels of fluorescence intensity and position. In FIG. 4, this is outlined for 5 grades 0, 1, 2, 3, and 4 (commercially available up to 10 grades for the same dye) of fluorescence from 4 different dyes. For each color, the fluorescence image of the sphere matrix (FIG. 4) is recorded separately. This yields for each sphere position (Figure 4: 26) a color code (33), for example 1314 for the sphere at location 2, 7, determined from the 4 different fluorescence intensities (29, 30, 31, 32) for the latter Bullet. With the 4 colors and the 5 gradations 54 -1 = 624 different balls can be distinguished. The optical resolution of the SDT-scan method presumably allows the distinction of libraries with thousands of different color-code spheres, but the creation of such large libraries requires considerable technical effort. For each sphere of the matrix, the pixel position and the color code including those of the high fluorescence intensity reference spheres (34) are stored. This data set, after detachment (Figure 5: 36) of the transfer 55 beads, serves to identify the binding sites within the matrix. The ~ 1 cm2 matrix 1 1
AT 414 047 B (FIG. 5: 37) von Bindungsstellen und Referenzkugeln mit einem Durchmesser von 1 μιτι zusammen mit den gespeicherten Positionen Pi aller Bindungsstellen, i = 1 bis *-30 Millionen, und deren Funktion (Typ des "Fängermoleküls", Fi, und Zahl der "Fängermoleküle", mi, an der Stelle i), sei mit "MARS (Pi; Fi, mi)" bezeichnet, wobei "MARS" die Abkürzung von "Matrix of Adres-5 sable Recognition Sites" ist.AT 414 047 B (FIG. 5: 37) of binding sites and reference spheres with a diameter of 1 μιτι together with the stored positions Pi of all binding sites, i = 1 to * -30 million, and their function (type of " catcher molecule " Fi, and number of " catcher molecules ", mi, at the point i), is said to be " MARS (Pi; Fi, mi) " where " MARS " the abbreviation of " Matrix of Addresses 5 Sable Recognition Sites " is.
Die Verwendung von Kugeln zur Übertragung von Molekülen gestattet neben der Herstellung einer biochemischen "Matrix of Adressable Recognition Sites", MARS, auch die Produktion des chemischen Analogons, einer "Matrix of Adressible Chemical reaction Sites", kurz MACS. Im io Gegensatz zu MARS wird bei der Herstellung von MACS die Ablösung der Kugeln nicht durch Dissoziation von komplementären biochemischen Bindungspartnern wie Oligonukleotiden bewerkstelligt, sondern durch die chemische Spaltung einer kovalenten Bindung. FIG. 6A zeigt die bei der Herstellung einer MACS ablaufenden Schritte exemplarisch anhand eines Moleküls. Die zu übertragenden Moleküle sind an die Kugeln gebunden und sind aufgebaut aus einer spaltba-15 ren Funktionalität (40) (z.B. eine Disulfid-Brücke), einem optionalen Molekülteil (57, 58) sowie einer terminalen Funktionalität. Die Kugeln lagern sich nach Zugabe am Substrat an und binden über die terminalen Funktionalitäten an dessen Oberfläche. Zur Ablösung der Kugeln werden die spaltbaren Funktionalitäten (40) getreent (z.B. Reduktion des Disulfids durch Dithiothreitol); ein Anteil der gespaltenen Funktionalität (41, 42) (z.B. Thiol) sowie der optionale Molekülteil 20 (60, 61) verbleiben am Substrat (1). MACS Molekül-Matrizen können über den hier beschriebenen Weg für zwei unterschiedliche Aufgaben hergestellt werden: Im ersten Fall (FIG. 6B-1) bezweckt man, eine Population unterschiedlicher Moleküle (57, 58) von Kugeln (3, 11) auf das plane Substrat zu übertragen (59). 25 Die je unterschiedlichen Moleküle liegen entweder einzeln (60) oder in Gruppen (61) in der Matrix MACS (Pi; Fi, mi) vor, wobei Pi die Position, Fi der Molekültyp und mi die Anzahl von Molekülen für die Bindungsstellen, i = 1 bis 30 Millionen, ist. Ein Beispiel für eine spezifische Anwendung ist eine kombinatorische Bibliothek von organischen Substanzen auf Kugeln (Jung, 2000; Nicolaou et al., 2002). Eine Kugel trägt nur je einen Typ einer organischen Substanz, und 30 die Gesamtheit der unterschiedlichen Substanzen soll auf ein planes Substrat übertragen werden, um deren biologische Aktivität testen zu können.The use of spheres to transfer molecules, in addition to producing a biochemical "Matrix of Addressable Recognition Sites", MARS, also permits the production of the chemical analogue, a "Matrix of Addressable Chemical Reaction Sites", MACS for short. In contrast to MARS, in the production of MACS, the detachment of the beads is not accomplished by dissociation of complementary biochemical binding partners such as oligonucleotides, but by the chemical cleavage of a covalent bond. FIG. Figure 6A shows the steps involved in the preparation of a MACS exemplified by a molecule. The molecules to be transferred are bound to the beads and are composed of a cleavable functionality (40) (e.g., a disulfide bridge), an optional moiety (57, 58), and a terminal functionality. After addition, the beads attach to the substrate and bind to the surface via the terminal functionalities. To detach the beads, the cleavable functionalities (40) are screened (e.g., reduction of the disulfide by dithiothreitol); a portion of the cleaved functionality (41, 42) (e.g., thiol) as well as the optional moiety 20 (60, 61) remain on the substrate (1). MACS Molecule matrices can be prepared by the route described herein for two different purposes: In the first case (FIG.6B-1), it is intended to have a population of different molecules (57, 58) of spheres (3, 11) on the planar substrate to transfer (59). The different molecules are present either individually (60) or in groups (61) in the matrix MACS (Pi; Fi, mi), where Pi is the position, Fi the molecule type and mi the number of molecules for the binding sites, i = 1 to 30 million, is. An example of a specific application is a combinatorial library of organic substances on spheres (Jung, 2000, Nicolaou et al., 2002). One sphere carries only one type of organic substance at a time and all of the various substances are to be transferred to a planar substrate in order to test their biological activity.
Um die Auswertung nicht zu stören, können die gespaltenen Funktionalitäten (41, 42 in FIG. 6A und FIG 6B-1; z.B. Thiol) inaktiviert werden (Methyliodid). 35In order not to disturb the evaluation, the cleaved functionalities (41, 42 in FIG.6A and FIG.6B-1, e.g., thiol) may be inactivated (methyl iodide). 35
Im anderen Fall (FIG. 6B-2) wird eine chemische Matrix mit identischen, gespaltenen reaktiven Funktionalitäten (41, 42) (z.B. Thiol) auf einer Oberfläche hergestellt. Die chemischen Funktionalitäten können chemisch weiter modifiziert werden, etwa mit Antikörpern oder Oligonukleotiden. Allgemein kann diese chemische Matrix beschrieben werden durch MACS (Pi; mi) wobei 40 an der Position Pi die Anzahl mi reaktiver Funktionalitäten vorliegt. FIG. 7 summiert einige Wege, wie "Matrices of Adressible Chemical reaction Sites" des zuletzt genannten Typs MACS (Pi, mi) (FIG. 6B-2) hergestellt und dann in MARS "Matrices of Adressable Recognition Sites" überführt werden können. Ausgehend von dem Substrat (1) werden 45 über den Übertragungsschritt (44, 46) die Funktionalitäten (40) von Kugeln (11, 3) mit hoher oder geringer Belegungsdichte auf die Substratoberfläche übertragen. Die resultierenden Matrizen enthalten isolierte Stellen mit Gruppen von reaktiven Funktionalitäten (41), MACS (Pi, mi) (45) oder Stellen mit einzelnen reaktiven Funktionalitäten (42), MACS (Pi, 1) (48). Chemische Matrix MACS (Pi, mi) (45) kann auch in MACS (Pi, 1) (48) überführt werden (47) durch Anwen-50 düng kleinerer Kugeln (38) mit sehr wenigen reaktiven Funktionalitäten (40). Das bietet den Vorteil, hochreine Matrizen mit einzelnen reaktiver Funktionalitäten (42) hersteilen zu können. Dies wird erreicht durch die zyklische Wiederholung der Bindung der kleineren Kugeln (38) mit Funktionalitäten (40) (z.B. Ortho-pyridylsulfid) an einige der reaktiven Funktionalitäten (41) (z.B. Thiol), welche dadurch geschützt werden vor der nachfolgenden Inaktivierung der freien Funkti-55 onalitäten am Substrat (1) z.B. durch N-Ethyl-Maleimid. Bei diesem Weg (47) kommt es nicht zu 1 2In the other case (Figure 6B-2), a chemical matrix having identical, cleaved reactive functionalities (41, 42) (e.g., thiol) is prepared on a surface. The chemical functionalities can be further chemically modified, such as with antibodies or oligonucleotides. In general, this chemical matrix can be described by MACS (Pi; mi) where 40 is the number mi of reactive functionalities at position Pi. FIG. 7 sums up some ways, such as " Matrices of Addressable Chemical reaction Sites " of the last-mentioned type MACS (Pi, mi) (FIG. 6B-2) and then set in MARS " Matrices of Addressable Recognition Sites " can be transferred. Starting from the substrate (1), the functionalities (40) of spheres (11, 3) with high or low occupation density are transferred to the substrate surface via the transfer step (44, 46). The resulting templates contain isolated sites with groups of reactive functionalities (41), MACS (Pi, mi) (45), or single reactive functionalities (42), MACS (Pi, 1) (48). Chemical matrix MACS (Pi, mi) (45) can also be transferred to MACS (Pi, 1) (48) (47) by applying smaller fertilized spheres (38) with very few reactive functionalities (40). This offers the advantage of being able to produce high-purity matrices with individual reactive functionalities (42). This is achieved by cyclic repetition of binding of the smaller spheres (38) with functionalities (40) (eg, ortho-pyridylsulfide) to some of the reactive functionalities (41) (eg, thiol), which are thereby protected from subsequent inactivation of the free functionality -55 onalities on the substrate (1) eg by N-ethyl maleimide. In this way (47) it does not come to 1 2
AT 414 047 B einer wesentlichen Verminderung der Flächendichte der reaktiven Stellen (42). Natürlich kann das gleiche Verfahren auch direkt auf die Matrix "MACS (Pi, 1)" (48) angewendet werden (nicht in Fig. 7 inkludiert), um die Matrix von Fehlstellen mit mehr als einer reaktiven Funktionalität zu reinigen. 5AT 414 047 B shows a substantial reduction in the surface density of the reactive sites (42). Of course, the same procedure can also be applied directly to the matrix " MACS (Pi, 1) " (48) (not included in FIG. 7) to cleanse the matrix of defects with more than one reactive functionality. 5
Die resultierenden chemischen Matrizen (45, 48) sind universell ersetzbar und können zur Herstellung von "MARS"-Matrizen verschiedener Art eingesetzt werden. Einige Beispiele sind dargestellt. Weg (51): die Herstellung von multi-funktionalen Einzel-Molekül Matrizen, "MARS (Pi; Fi, 1)" (55), ist dadurch erleichtert, dass die Beladung der Kugeln, vorteilhaft kleine Kugeln io (39) mit "Fängermolekülen" (4, 6) in hoher Belegung, unkritisch ist bezüglich der Flächendichte der "Fängermoleküle" auf den Kugeln, denn für deren Bindung an die Substratoberfläche steht pro Bindungsstelle nur eine reaktive Gruppe am Substrat zur Verfügung. Weg (50): Alternativer Weg zur Herstellung von "MARS (Pi; Fi, 1)" (55), unter Benutzung kleiner, mit wenigen "Fängermolekülen" (4, 6) beladener Kugeln (38). Weg (52): Matrizen mit nur einer Art von "Fänger-15 molekül", "MARS (Pi; 1, 1)" (56), können direkt durch Zugabe von "Fängermolekülen" in die flüssige Phase (53) erzeugt werden. Weg (49) ist eine Möglichkeit zur Herstellung von Matrizen "MARS (Pi; Fi, mi)" (54) mit einzelnen oder Gruppen von Fängermolekülen. Weg (49) geht von der Matrix MACS (Pi, mi) (45) aus und ist eine Alternative zum direkten Weg (43) zur Herstellung von "MARS (Pi; Fi, mi)" Matrizen ohne chemische Matrizen. 20The resulting chemical matrices (45, 48) are universally replaceable and can be used to make " MARS " matrices of various kinds. Some examples are shown. Way (51): the preparation of multi-functional single-molecule matrices, " MARS (Pi; Fi, 1) " (55), is facilitated by the fact that the loading of the balls, advantageously small balls io (39) with " catcher molecules " (4, 6) in high occupancy, the area density of the " catcher molecules " on the balls, because for their binding to the substrate surface, only one reactive group on the substrate is available per binding site. Way (50): Alternative way to make " MARS (Pi; Fi, 1) " (55), using smaller, with fewer " catcher molecules " (4, 6) loaded balls (38). Path (52): matrices with only one type of " catcher-15 molecule ", " MARS (Pi; 1, 1) " (56) can be directly obtained by adding " catcher molecules " be generated in the liquid phase (53). Path (49) is one way of making matrices " MARS (Pi; Fi, mi) " (54) with single or groups of capture molecules. Path (49) starts from the matrix MACS (Pi, mi) (45) and is an alternative to the direct way (43) to make " MARS (Pi; Fi, mi) " Matrices without chemical matrices. 20
Die Erfindung wird anhand der nun folgenden Beispiele und der Zeichnungsfiguren, auf die sie selbstverständlich nicht beschränkt ist, näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to the following examples and the drawings, to which it is of course not limited.
Es zeigen: 25Show: 25
Fig. 1: (A) Schematische Darstellung des Vorgangs, bei welchem einzelne oder Gruppen von Molekülen mittels sphärischer Hilfsstrukturen an ein planes Substrat übertragen werden. (B) Schematische Darstellung der einzelnen Schritte des Vorgangs zur Übertragung von Biomolekülen exemplarisch anhand eines "Fängermoleküls". 30Fig. 1: (A) Schematic representation of the process in which individual or groups of molecules are transferred by means of spherical auxiliary structures to a planar substrate. (B) Schematic representation of the individual steps of the process of transfer of biomolecules exemplified by a "catcher molecule". 30
Fig. 2: Schematische Darstellung von an einem planen Substrat angelagerten Kugeln, deren Fluoreszenz-Intensität durch Scannen bestimmt wird.Fig. 2: Schematic representation of attached to a planar substrate balls whose fluorescence intensity is determined by scanning.
Fig. 3. Schematische Darstellung des Verfahrens, um die Position von fluoreszierenden Kugeln 35 anhand eines Array von Pixeln eindeutig festzulegen.Fig. 3. Schematic representation of the method to uniquely determine the position of fluorescent spheres 35 using an array of pixels.
Fig. 4. Schematische Darstellung der Fluoreszenzaufnahmen von oberflächenlokalisierten und farbkodierten Beads, welche verschiedene Fluorophore in unterschiedlichen Konzentrationen enthalten. 40Fig. 4. Schematic representation of the fluorescence images of surface-localized and color-coded beads containing different fluorophores in different concentrations. 40
Fig. 5. Schematische Darstellung zur Herstellung einer "Matrix of Adressable Recognition Sites", MARS.Figure 5. Schematic representation for making a " Matrix of Addressable Recognition Sites ", MARS.
Fig. 6. Schematische Darstellung des Vorgangs zur Herstellung einer "Matrix of Adressible 45 Chemical Reaction Sites", MACS mittels sphärischer Hilfsstrukturen. (A) Darstellung der einzelnen Schritte des Vorgangs zur Herstellung einer MACS exemplarisch anhand eines Moleküls. (B) Schematische Darstellung der Herstellung zweier unterschiedlicher Arten von MACS.Figure 6. Schematic representation of the process of making a "Matrix of Addressable Chemical Reaction Sites", MACS using Spherical Auxiliary Structures. (A) Representation of the individual steps of the process for producing a MACS by way of example by means of a molecule. (B) Schematic representation of the production of two different types of MACS.
Fig. 7. Schematische Darstellung verschiedener Wege, um "Matrices of Adressible Chemical so Reaction Sites in "Matrices of Adressable Recognition Sites" überzuführen.Figure 7. Schematic representation of various ways to " Matrices of Addressable Chemical " as reaction sites in " Matrices of Addressable Recognition Sites " convert.
Fig. 8: Anwendungen für MARS-Matrizen: Nutzbarmachung der hohen Empfindlichkeit.Fig. 8: Applications for MARS matrices: Utilization of high sensitivity.
Der grosse Umfang der Matrize "MARS (Pi; Fi, 1)" von ~108 Bindungsstellen erlaubt viele ver-55 schiedene "Fängermoleküle" (hier exemplarisch 100 verschiedene Antikörper; es können auch 1 3The large extent of the template "MARS (Pi; Fi, 1) " of ~108 binding sites allows many different "catcher molecules". (here exemplarily 100 different antibodies, it can also 1 3
AT 414 047 BAT 414 047 B
Mischungen von Oligonukleotiden und Antikörpern angewendet werden) anzubieten und gleichzeitig jedes "Fängermolekül" in vielen Kopien (hier 1 Million), woraus sich mit der Detektionsempfindlichkeit von einzelnen Fluoreszenz-Molekülen ein dynamischer Bereich für Detektion von 6 Größenordnungen ergibt, und zwar gleichzeitig für die Detektion von 100 verschiedenen 5 Biomolekülen, messbar mit SDT-scan in ~5 min.Mixtures of oligonucleotides and antibodies are used) and at the same time each " catcher molecule " in many copies (here 1 million), resulting in the detection sensitivity of individual fluorescence molecules, a dynamic range for detection of 6 orders of magnitude, simultaneously for the detection of 100 different 5 biomolecules, measurable with SDT scan in ~ 5 min ,
Fig. 9: Anwendungen für MARS-Matrizen: Proteomik.Fig. 9: Applications for MARS matrices: proteomics.
Fig. 9A: Anwendungen für MARS-Matrizen: Protein-Funktion. Gleichzeitige Messung der Funk-io tion von vielen (hier 104) einzelnen Proteinen (Dreiecke) durch wiederholte Bildaufnahme, zur Erfassung der zum jeweiligen Zeitpunkt gebundenen Liganden (L), welche eine Fluoreszenzmarkierung (Stern) tragen. Die Liganden in Lösung geben bei der bevorzugten Anwendung einen zu vernachlässigenden Fluoreszenz-Hintergrund. Die Anwendung auf Enzyme ist besonders vielversprechend. Die Funktionsantworten (Serien von +, Bindung, und -, keine Bindung) 15 ergeben direkt die Bindungskonstanten und die Assoziations- und Dissoziationskonstanten für die Liganden-Bindung jedes einzelnen der 104 Rezeptor-Moleküle oder Enzyme, und erlaubt damit die direkte Messung der Funktionsvariabilität von Biomolekülen. Die SDT-scan Methode erlaubt 104 Moleküle im Abstand von ~1 pm in 50 ms aufzunehmen, sodass die Funktion der Proteine mit einer Zeitauflösung von -50 ms erfolgt. 20Fig. 9A: Applications for MARS templates: protein function. Simultaneous measurement of the radio-tion of many (here 104) individual proteins (triangles) by repeated image acquisition, to capture the currently bound ligand (L), which carry a fluorescent label (star). The ligands in solution give a negligible background fluorescence in the preferred application. Application to enzymes is particularly promising. The functional responses (series of +, binding, and -, not binding) 15 directly yield the binding constants and the association and dissociation constants for ligand binding of each of the 104 receptor molecules or enzymes, thereby allowing the direct measurement of functional variability of biomolecules. The SDT-scan method allows to record 104 molecules at ~ 1 pm intervals in 50 ms, so that the proteins function with a time resolution of -50 ms. 20
Fig. 9B: Anwendungen für MARS-Matrizen: Messung der post-translationalen Modifikation von Proteinen. Durch Einsatz von fluoreszenzmarkierten Anikörpern gegen Phosphorylierungsstellen (P) und von markierten Lektinen gegen Zuckerreste an den Proteinen kann das Profil dieser Modifikationen für ein Protein oder mehrere Proteine gemessen werden, und gegebenenfalls 25 mit der vorher gemessenen Variation der Funktion (Fig. 9A) in einen Struktur-Funktions-Zusammenhang gestellt werden.Fig. 9B: Applications for MARS matrices: measurement of post-translational modification of proteins. By using fluorescently labeled antibodies against phosphorylation sites (P) and labeled lectins against sugar residues on the proteins, the profile of these modifications for one or more proteins can be measured, and optionally with the previously measured variation of function (Figure 9A) into one Structure-function relationship can be put.
Fig. 9C&D: Anwendungen für MARS-Matrizen: Messung von Protein-Assoziationen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die SDT -Methode stöchiometrische Messungen von ko-lokalisierten 30 Fluoreszenz-Molekülen erlaubt. Die Intensität an den Bindungsstellen gibt Auskunft über Homo-Assoziation (Fig. 9C) oder Hetero-Assoziation (Fig. 9D). Für den letzteren Fall ist im unteren Teil des Bildes dargestellt, dass die gleiche Information unabhängig auch durch Einsatz zweier verschiedener Farbstoffe erzielt bzw. überprüft und abgesichert werden kann. 35 Fig. 10: Anwendungen für MARS-Matrizen: DNS und mRNS Analysen.Figures 9C & D: Applications for MARS Matrices: Measurement of Protein Associations. It is exploited that the SDT method allows stoichiometric measurements of co-localized fluorescence molecules. The intensity at the binding sites provides information on homoassociation (Figure 9C) or heteroassociation (Figure 9D). For the latter case, it is shown in the lower part of the picture that the same information can be achieved or checked and secured independently by the use of two different dyes. 35 Fig. 10: Applications for MARS matrices: DNS and mRNA analyzes.
Fig. 10A: Anwendungen für MARS-Matrizen: Messung von mRNA-Profilen. Eine Matrix mit zahlreichen verschiedenen Oligonukleotiden, jedes jedoch in genügend hoher Zahl zur Gewährleistung hoher Empfindlichkeit, kann eingesetzt werden, um mRNA-Profile von zum Beispiel 40 Extrakten von Zellen oder Organellen zu erstellen für verschiedene Zustände der Zellen.Fig. 10A: Applications for MARS matrices: measurement of mRNA profiles. A matrix of numerous different oligonucleotides, but each in a sufficiently high number to ensure high sensitivity, can be used to generate mRNA profiles of, for example, 40 extracts of cells or organelles for different states of the cells.
Fig. 10B: Anwendungen für MARS-Matrizen: Korrelation benachbarter SNP's. Ein großes Interesse besteht derzeit an der Bestimmung der Reihenfolge von SNP's (Single Nucleotide Poly-morphism) in bestimmten Bereichen des Genoms. Die fraglichen DNS Einzelstränge werden 45 zunächst an Magnetkugeln mit einem Ende fixiert, und das andere Ende an entsprechende Oligonukleotide auf der Matrizze. Durch Anwendung von Magnetkraft werden die DNA Stränge gestreckt, damit die Bindung von fluoreszenzmarkierten Oligonukleotiden an die zu untersuchenden SNP-Stellen möglichst sicher erfolgt. Die Fuoreszenz-Antwort durch SDT-Scan gibt dann Aufschluss über gleichzeitig auftretende Mutationen an den SNP-Stellen. 50Fig. 10B: Applications for MARS matrices: Correlation of adjacent SNPs. There is currently a great deal of interest in determining the order of single nucleotide poly-morphism (SNP) in certain regions of the genome. The DNA single strands in question are first fixed to magnetic spheres with one end and the other end to corresponding oligonucleotides on the matrix. By applying magnetic force, the DNA strands are stretched so that the binding of fluorescently labeled oligonucleotides to the SNP sites to be examined is as safe as possible. The fluorescence response by SDT scan then provides information on mutations occurring at the SNP sites. 50
Fig. 10C: Anwendungen für MARS-Matrizen: Mutationen in "repeats". Das gleiche Verfahren wie in Fig. 10B kann angewendet werden auf die Identifizierung von Mutationen in Bereichen von DNS mit vielfach sich wiederholenden Sequenzen ("repeats"), durch Einsatz von zwei verschiedenen Oligonukleotiden: Eines gegen die natürliche Sequenz und eines gegen die mutierte Sequenz. Die obere Bildhälfte zeigt das Ergebnis für DNS ohne Mutation, die untere 55 5 5 1 4Fig. 10C: Applications for MARS matrices: mutations in " repeats ". The same procedure as in Figure 10B can be applied to the identification of mutations in regions of DNA with repeats (repeats) using two different oligonucleotides: one against the natural sequence and one against the mutated sequence , The upper half of the picture shows the result for DNA without mutation, the lower 55 5 5 1 4
AT 414 047 B mit einer Mutation.AT 414 047 B with a mutation.
Fig. 11: Figur zu Beispiel 1: Visualisierung einzelner Fluorophore mittels der SDT-scan Methode.11: FIG. 1: Visualization of individual fluorophores by means of the SDT-scan method.
Fig. 12: Figur zu Beispiel 2: Hexagonal dichte Packung von Kugeln auf einer Oberfläche.Fig. 12: Figure to Example 2: Hexagonal dense packing of balls on a surface.
Fig. 13: Figur zu Beispiel 3: Ablösung von Markerbeads. A: Mit Pfeilen gekennzeichnete Mar-kerbeads vor (A) und nach der Ablösung (B) von nicht gekoppelten Beads. 10FIG. 13: FIG. 3: Replacement of marker beads. A: Arranged Mar kerbeads before (A) and after detachment (B) from uncoupled beads. 10
Fig. 14: Figur zur Beispiel 4: Abdruck von Gruppen fluoreszenzmarkierter Moleküle, die mittels Kugeln auf eine plane Oberfläche übertragen und kovalent gebunden wurden.FIG. 14: FIG. 4 shows the impression of groups of fluorescently labeled molecules which have been transferred by means of spheres to a planar surface and bound covalently.
Fig. 15: Figur zur Beispiel 5: An einer Oberfläche angeordnete Beads mit unterschiedlicher 15 Fluoreszenz-Markierung.FIG. 15: FIG. 5 shows beads arranged on a surface with different fluorescence markings.
Index der Bezeichnungen in den Figuren 1-7: I. Substrat 20 2. Mindestabstand der übertragenen Moleküle am Substrat 3. Kugel zur Übertragung, mit wenigen Fängermolekülen belegt 4. Fängermolekül definierter Art zur Übertragung, auf einer Kugel durch molekulare Erkennung gebunden 5. An das Substrat fixiertes Fängermolekül (4) vor Ablösung der Kugel 25 6. Fängermolekül definierter Art zur Übertragung, auf einer Kugel durch molekulare Erken nung gebunden, Fängermolekül unterschiedlich zu 4 7. An das Substrat fixiertes Fängermolekül (6) vor Ablösung der Kugel 8. VORGANG: Übertragung einzelner Fängermoleküle 9. Übertragene einzelne Fängermoleküle (4) nach der Ablösung der Kugel 30 10. Übertragene einzelne Fängermoleküle (6) nach der Ablösung der Kugel II. Kugel zur Übertragung, mit vielen Fängermolekülen belegt 12. An das Substrat fixierte Fängermoleküle (Gruppen von 4) vor Ablösung der Kugel 13. An das Substrat fixierte Fängermoleküle (Gruppen von 6) vor Ablösung der Kugel 14. VORGANG: Übertragung mehrerer Fängermoleküle (Gruppen) 35 15. Übertragene Gruppen von Fängermolekülen (4) nach der Ablösung der Kugel 16. Übertragene Gruppen von Fängermolekülen (6) nach der Ablösung der Kugel 17. Bindungsbereich an der Kontaktfläche Kugel-Substrat 18. Durchmesser einer Kugel zur Übertragung 19. Referenz-Kugel 40 20. Reaktive Gruppen mit hoher Dichte auf Referenz-Kugel 21. An das Substrat "kovalent gebundene" reaktive Gruppen (20) von der Referenz-Kugel 22. VORGANG: Scanning der Kugeln vor der Ablösung 23. Pixel-Array 24. Abbild der Kugeln zur Übertragung auf Pixel-Array 45 25. Abbild der Referenz-Kugeln auf Pixel-Array 26. Position der Bindungsstellen definiert durch Position der Kugeln abgebildet am Pixel-Array 27. VORGANG: Wiederfindung der Positionen 28. Fluoreszenzintensität der Referenz-Kugel 29. Fluoreszenzintensität einer definierten Kugel zur Übertragung, innerhalb eines ausgewähl- 50 ten Wellenlängenbereichs. 30. Fluoreszenzintensität einer definierten Kugel zur Übertragung, innerhalb eines von 29 abweichenden Wellenlängenbereichs. 31. Fluoreszenzintensität einer definierten Kugel zur Übertragung, innerhalb eines von 29 und 30 abweichenden Wellenlängenbereichs. 55 32. Fluoreszenzintensität einer definierten Kugel zur Übertragung, innerhalb eines von 29, 30 1 5Index of the designations in FIGS. 1-7: I. Substrate 20 2. Minimum distance of the transferred molecules from the substrate 3. Sphere for transfer, with few capture molecules occupied 4. Scavenger molecule of defined type for transfer, bound to a sphere by molecular recognition 5. An 6. The capture molecule of defined type for transfer, bound on a sphere by molecular recognition, capture molecule different from 4 7. Capture molecule (6) fixed to the substrate before detachment of the sphere 8. PROCEDURE Transferring individual catcher molecules (4) after detachment of the sphere 30 10. Transferred individual capture molecules (6) after detachment of the sphere II. Sphere for transfer, with many capture molecules occupied. 12. Capture molecules fixed to the substrate (groups of 4) before detachment of the sphere 13. capture molecules fixed to the substrate (groups of 6) Detachment of the sphere 14. PROCEDURE: Transfer of several capture molecules (groups) 35 15. Transferred groups of capture molecules (4) after detachment of the sphere 16. Transferred groups of capture molecules (6) after detachment of the sphere 17. Bonding area at the contact surface sphere Substrate 18. Diameter of a sphere for transfer 19. Reference sphere 40 20. High density reactive groups on reference sphere 21. To the substrate " covalently bonded " PROCEDURE: Scanning the Balls Prior to Detachment 23. Pixel Array 24. Image of Balls for Transfer to Pixel Array 45 25. Image of Reference Balls on Pixel Array 26. Position of the binding sites defined by position of the spheres imaged on the pixel array 27. PROCEDURE: Position recovery 28. Fluorescence intensity of the reference sphere 29. Fluorescence intensity of a defined sphere for transmission, within a selected wavelength range. 30. Fluorescence intensity of a defined sphere for transmission, within a 29 wavelength range. 31. Fluorescence intensity of a defined sphere for transmission, within a wavelength range deviating from 29 and 30. 55 32. Fluorescence intensity of a defined sphere for transmission, within one of 29, 30 1 5
AT 414 047 B und 31 abweichenden Wellenlängenbereichs. 33. Farbcode (mit willkürlichen Werten) 34. Farbcode der Referenz-Kugel 35. An Kugeln verbleibende Anteil nach Spaltung der Funktionalität 40 5 36. VORGANG: Ablösung der Kugeln zur Übertragung 37. Matrix von Bindungsstellen und Referenz-Kugeln, MARS (Matrix of Addressable Recogni-tion Sites) oder MARS (Pi, Fi, mi) 38. Kleine Kugeln zur Übertragung, mit wenigen Molekülen belegt 39. Kleine Kugeln zur Übertragung, mit vielen Fängermolekülen belegt io 40. Reaktive spaltbare Funktionalitäten zur Erzeugung von MACS (Matrix of Addressable Chemical reaction Sites)AT 414 047 B and 31 deviating wavelength range. 33. Color code (with arbitrary values) 34. Color code of the reference sphere 35. Content remaining after spheres after cleavage of the functionality 40 5 36. PROCEDURE: detachment of the spheres for transfer 37. Matrix of binding sites and reference spheres, MARS (Matrix of Addressable Recognition Sites) or MARS (Pi, Fi, mi) 38. Small spheres for transmission, with few molecules occupied 39. Small spheres for transmission, with many capture molecules occupied io 40. Reactive cleavable functionalities for the generation of MACS (Matrix of Addressable Chemical reaction Sites)
41. Übertragene Gruppen von reaktiven Funktionalitäten auf MACS41. Transmitted groups of reactive functionalities on MACS
42. Übertragene einzelne reaktive Funktionalitäten auf MACS 43. VORGANG zur Erzeugung von MARS (Pi, Fi, mi) (37) 15 44. VORGANG zur Erzeugung von MACS (Pi, mi) (45) 45. MACS mit Gruppen gleicher Funktionalitäten, MACS (Pi, mi) 46. VORGANG zur Erzeugung von MACS (Pi, 1) (48) 47. VORGANG zur Überführung von MACS (Pi, mi) (45) in MACS (Pi, 1) (48) 48. MACS mit einzelnen Stellen gleicher Funktionalitäten, MACS (Pi, 1) 20 49. VORGANG zur Überführung von MACS (Pi, mi) (45) in MARS (Pi, Fi, mi) (54) 50. VORGANG zur Überführung von MACS (Pi, mi) (45) in MARS (Pi, Fi, 1)(55) 51. VORGANG zur Überführung von MACS (Pi, 1) (48) in MACS (Pi, Fi, 1) (55) 52. VORGANG zur Überführung von MACS (Pi, 1) (48) in MACS (Pi, 1,1) (56) 53. Fängermoleküle in flüssiger Phase 25 54. MARS (Pi, Fi, mi) mit einzelnen und Gruppen an verschiedenen Fängermolekülen ver schiedener Art, aus MACS (Pi, mi) (45) hergestellt 55. MARS (Pi, Fi, 1) mit ausschließlich einzelnen Fängermolekülen verschiedener Art, aus MACS (Pi, mi) (45) und MACS (Pi, 1)(48) hergestellt42. Transmitted single reactive functionalities on MACS 43. PROCESS for the generation of MARS (Pi, Fi, mi) (37) 15 44. PROCESS for the generation of MACS (Pi, mi) (45) 45. MACS with groups of equal functionalities, MACS (Pi, mi) 46. PROCESS for the generation of MACS (Pi, 1) (48) 47. PROCEDURE for the transfer of MACS (Pi, mi) (45) to MACS (Pi, 1) (48) 48. MACS with individual PROVIDING MACS (Pi, mi) (45) in MARS (Pi, Fi, mi) (54) 50. PROCEDURE FOR TRANSFERRING MACS (Pi, mi) (45) in MARS (Pi, Fi, 1) (55) 51. PROCEDURE for the transfer of MACS (Pi, 1) (48) to MACS (Pi, Fi, 1) (55) 52. PROCEDURE for the transfer of MACS ( Pi, 1) (48) in MACS (Pi, 1,1) (56) 53. Liquid phase capture molecules 25 54. MARS (Pi, Fi, mi) with individual and groups of different capture molecules of different types, from MACS ( Pi, mi) (45) produced 55. MARS (Pi, Fi, 1) with only individual catcher molecules of different types Kind, made of MACS (Pi, mi) (45) and MACS (Pi, 1) (48)
56. MARS (Pi, 1,1) mit ausschließlich einzelnen Fängermolekülen gleicher Art, aus MACS 30 (Pi, 1) (48) hergestellt 57. Molekül definierter Art zur Übertragung, auf einer Kugel gebunden 58. Molekül definierter Art zur Übertragung, auf einer Kugel gebunden; Molekül unterschiedlich zu 57 59. VORGANG: Übertragung von Molekülen einzeln und/oder in Gruppen 35 60. Übertragenes einzelnes Molekül 61. Übertragene Gruppe von Molekülen56. MARS (Pi, 1,1) with only single capture molecules of the same species, made from MACS 30 (Pi, 1) (48) 57. Molecule of defined type for transmission, bound on a sphere 58. Molecule of defined type for transmission, on tied to a ball; Molecule different from 57 59. PROCEDURE: Transfer of molecules individually and / or into groups 35 60. Transferred single molecule 61. Transferred group of molecules
Beispiele: 40 Beispiel 1:Examples: 40 Example 1:
Einzelne Cy3 Fluorophore wurden auf einem Glasplättchen immobilisiert und mit SDT-Scan visualisiert. Zur Immobilisierung wurde Cy3 zunächst an Polyethylenglykol-Diamin gekoppelt, und dieses Konjugat wurde über die verbleibende terminale Amingruppe des PEG an eine 45 Epoxid-Oberfläche kovalent gebunden. Zur Herstellung des Cy3-PEG-Konjugates wurden 0,2 Gramm (100 pmol) PEG-Diamin (Mw 2000, Rapp Polymerere) in 4 ml salzsaurem Dimethylformamid (DMF) pH = 6,5 gelöst und mit 1 mg (1,3 pmol) Cy3-N-Hydroxysuccinimid (Cy3-NHS, Amersham Pharmacia), gelöst in 1 ml DMF, für 3 Stunden inkubiert. Die Reaktion wurde durch Zugabe von 100 pl einer 5%-igen Disopropylethylamin (DIEA)/DMF-Lösung gestartet; Reakti-50 onsverlauf und Reaktionsende wurden mittels Dünnschichtchromatographie (DC) überwacht. Die Aufreinigung erfolgte über Gel-Filtration und lonenaustauch-Chromatographie, und die Reinheit der Fraktionen wurde mit DC überprüft. Zur Herstellung von Glasplättchen mit Epoxid-Beschichtung wurden Deckgläschen (Esco, microscope cover glass, 24 x 50 mm; Erie Scientific, Portsmouth, N.H.) mit Trifluoressigsäure geätzt und mit Glycidoxypropyltrimethoxysilan 55 (GPS) gemäß der Publikation (Hehler et al., 2000) silanisiert. Die Qualität der Beschichtung 16Single Cy3 fluorophores were immobilized on a glass slide and visualized by SDT scan. For immobilization, Cy3 was first coupled to polyethylene glycol diamine, and this conjugate was covalently attached to a 45 epoxide surface via the remaining terminal amine group of the PEG. To prepare the Cy3-PEG conjugate, 0.2 g (100 pmol) of PEG-diamine (Mw 2000, Rapp Polymerere) was dissolved in 4 ml of hydrochloric acid dimethylformamide (DMF) pH = 6.5 and treated with 1 mg (1.3 pmol ) Cy3-N-hydroxysuccinimide (Cy3-NHS, Amersham Pharmacia) dissolved in 1 ml of DMF, incubated for 3 hours. The reaction was started by adding 100 μl of a 5% disopropylethylamine (DIEA) / DMF solution; Reaction course and reaction end were monitored by thin layer chromatography (TLC). Purification was via gel filtration and ion exchange chromatography, and the purity of the fractions was checked by TLC. To produce glass slides with epoxy coating, coverslips (Esco, microscope cover glass, 24 x 50 mm, Erie Scientific, Portsmouth, NH) were etched with trifluoroacetic acid and glycidoxypropyltrimethoxysilane 55 (GPS) according to the publication (Hehler et al., 2000). silanized. The quality of the coating 16
AT 414 047 B wurde mit Kontaktwinkelmessungen (Dataphysics OCA 20) bestätigt. Die Kopplung von Cy3-PEG-Amin an die silanisierten Glasplättchen erfolgte mit einer Konzentration von 20 nM (Messung mit UV-Vis-Spektrophotometer Shimadzu UV1601) in 50 mM Borat-Puffer pH = 8,8 für 10 Minuten. Überschüssiges, nicht gebundenes Cy3-PEG-Amin wurde durch mehrmaliges 5 Waschen in Wasser entfernt. Zur Visualisierung der immobilisierten Fluorophore wurde das Fluoreszenz-Lesegerät "Nanoreader" verwendet. Zur Anregung wurde ein Dioden-gepumpter Festkörper-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm eingesetzt, als Objektiv wurde ein Axiovert PNF 40x/1,3 Öl verwendet. Die Belichtungsdauer betrug 100 ms und das Signal wurde mit einem Cy3-Filtersatz (Chroma, HQ610_75m) gefiltert. Zur Bildwiedergabe wurde das Programm io V++ (Digital Optics) eingesetzt. Fig. 11 zeigt eine Fläche von 30 pm mal 50 pm mit einzelnen und Clustern von Fluorophoren mit einer durchschnittlichen Einzel-Signalintensität von 15 Counts. Das Signal zu Rauschverhältnis betrug im Mittel 50.AT 414 047 B was confirmed with contact angle measurements (Dataphysics OCA 20). The coupling of Cy3-PEG-amine to the silanized glass slides was carried out at a concentration of 20 nM (measurement with UV-Vis spectrophotometer Shimadzu UV1601) in 50 mM borate buffer pH = 8.8 for 10 minutes. Excess unbound Cy3-PEG amine was removed by washing several times in water. To visualize the immobilized fluorophores, the fluorescence reader " nanoreader " used. For excitation, a diode-pumped solid-state laser with a wavelength of 532 nm was used, as an objective Axiovert PNF 40x / 1.3 oil was used. The exposure time was 100 ms and the signal was filtered with a Cy3 filter set (Chroma, HQ610_75m). For picture reproduction the program io V ++ (Digital Optics) was used. Figure 11 shows an area of 30 pm by 50 pm with single and cluster of fluorophores with an average single signal intensity of 15 counts. The signal to noise ratio was 50 on average.
Beispiel 2: 15Example 2: 15
Zur Herstellung einer hexagonal dichten Packung von Kugeln an einer Oberfläche wurden Beads mit einer Beschichtung aus Polyethylen Glykol (PEG) eingesetzt. Zur Beschichtung mit PEG wurden die Beads (Latex-Beads, Polysciences, Durchmesser 2 pm, Carboxyl-Oberfläche) in 20 pl 1M 2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure (MES)-Puffer mit einer Endkonzentration von 20 1 Massenprozent suspendiert und mit 1 ml einer Lösung von 0,1 M MES-Puffer pH = 4,5 mit 26 mM 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimid und 10 mM Methoxy-Polyethylenglykol-Amin (Mw 5000, Shearwater Polymers, Huntsville, AL, USA) gemischt und für 2 Stunden in einem Schüttler bei 150 rpm inkubiert. Nach der PEG-Beschichtung wurden die Beads mehrmals gewaschen und in einer 1% Suspension auf eine pegylierten Glasplättchenoberfläche 25 aufgebracht. Zur Herstellung einer pegylierten Glasoberfläche wurden mit Glycidoxypropyltri-methoxysilan modifizierten Glasplättchen (Herstellung siehe Beispiel 1) mit 100 mg Methoxy-Polyethylenglykol-Amin (Mw 5000) (Shearwater Polymers) in 25 ml 50 mM Borat Puffer pH = 8,8 bei Raumtemperatur für 24 Stunden inkubiert. Fig. 12 zeigt einen 110 pm mal 60 pm großen Ausschnitt eines Durchlicht-Bildes von in hexagonal dichter Packung angeordneter 30 pegylierter Latexkuglen auf pegyliertem Glasplättchen, aufgenommen mit dem Nanoreader.Beads with a coating of polyethylene glycol (PEG) were used to produce a hexagonal packing of beads on a surface. For coating with PEG, the beads (latex beads, Polysciences, diameter 2 pm, carboxyl surface) were suspended in 20 μl of 1M 2- (N-morpholino) ethanesulfonic acid (MES) buffer to a final concentration of 20 1% by mass and mixed with 1 ml of a solution of 0.1 M MES buffer pH = 4.5 with 26 mM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide and 10 mM methoxy-polyethylene glycol-amine (Mw 5000, Shearwater Polymers, Huntsville, AL, USA) and incubated for 2 hours in a shaker at 150 rpm. After PEG coating, the beads were washed several times and applied to a pegylated glass slide surface 25 in a 1% suspension. To prepare a pegylated glass surface, glycidoxypropyltri-methoxysilane-modified glass slides (preparation see Example 1) with 100 mg of methoxy-polyethylene glycol-amine (Mw 5000) (Shearwater Polymers) in 25 ml of 50 mM borate buffer pH = 8.8 at room temperature for 24 Incubated for hours. Figure 12 shows a 110 pm by 60 pm excerpt of a transmitted light image of hexagonal close packing 30 pegylated latex beads on pegylated glass slides taken with the nanoreader.
Beispiel 3:Example 3:
Zur Demonstration des Einsatzes von Markerbeads wurde eine Mischung von nicht fluoreszie-35 renden Beads und kovalent koppelnden, fluoreszierenden Markerbeads auf ein Glassubstrat aufgebracht. Die Markerbeads banden kovalent und verblieben nach dem Waschen auf der Oberfläche während nicht gekoppelte Beads von der Oberfläche abgelöst werden. Zur Herstellung von koppelnden Markerbeads wurden fluoreszenzmarkierte Silikatbeads (sicastar ® -redF von Micromod, mit Carboxyl-Oberfläche, Durchmesser von 2 pm) mit PEG-Diamin (Mw 3400, 40 Shearwater Polymers) via EDC-Aktivierung modifiziert. Für die Modifizierung wurden die Beads in 20 pl 1M MES-Puffer pH = 4,5 mit einer Endkonzentration von 1 Massenprozent resuspen-diert. Diese Suspension wurde transferiert in 1 ml 0,1M MES-Puffer pH = 4,5 mit 26 mM 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimid (EDC; Sigma) und 10 mM Polyethylenglykol-Diamin (Mw 3400, Shearwater Polymers) und für 2 Stunden in einem Schüttler bei 750 rpm 45 inkubiert. Die mehrfache Waschung erfolgte mit Wasser. Zur Herstellung von nichtkoppelnden Beads wurden unmarkierte Silikatbeads (sicastar ® von Micromod, mit Carboxylat-Oberfläche, Durchmesser von 2 pm) in 1 ml 0,1 M MES-Puffer pH = 4,5 mit 26 mM EDC und 10 mM Metho-xy-Polyethylenglykol-Amin (Mw 5000, Shearwater Polymers) für 2 Stunden in einem Schüttler (Thermomixer comfort, Eppendorf) bei 750 rpm inkubiert. Die mehrfache Waschung erfolgte mit so Wasser. Für die Belegungsexperimente mit Beads wurden pegylierte Glasplättchen mit Aminreaktiver Oberfläche eingesetzt. Zur Herstellung einer pegylierten Glasoberfläche wurden mit Glycidoxypropyltrimethoxysilan-modifizierte Glasplättchen (Herstellung siehe Beispiel 1) mit 100 mg Methoxy-Polyethylenglykol-Amin (Mw 5000, Shearwater Polymers) in 25 ml Borat Puffer pH = 8,8 bei Raumtemperatur für 24 Stunde inkubiert. Nach mehrmaligem Waschen wurde die terminale Amin-Funktion mit Succinanhydrid (Sigma) in einer gesättigten, mit 6N NaOH auf 55 1 7 AT 414 047 ß pH = 6,2 - 6,5 gehaltenen Lösung für 2 Stunden modifiziert. Die entstandene Carboxylat-Funktion wurden in 25 ml DMF mit 13 mM N.N.N’.N’-Tetramethyl-O-iN-succinimidylJ-uronium-tetrafluoroborat (TSTU) und 6,9 mM NHS unter Zugabe von 20 μΙ Triethylamin aktiviert. Die Waschung erfolgte mit einem DMF/Isopropanol-Gradienten, abschließend wurde im Stickstoff-5 ström getrocknet. Zur Belegung der beschichteten Glasplättchen mit Beads wurde eine Mischung von 0,01% Markerbeads mit PEG-Amin-Terminus und von 1% Beads mit PEG-Terminus in Borat Puffer pH = 8,8 aufgenommen, die Mischung auf das Plättchen aufgetragen und 60 Minuten inkubiert. Fig. 13 A zeigt eine Durchlicht-Aufnahme der angelagerten Beads. Während der Inkubation koppelten die Markerbeads mit dem Aminterminus an die NHS-io aktivierte Glasoberfläche, sodass die Markerbeads nach einem Waschschritt an dem Glasplättchen verblieben während nichtkoppelnden Beads abgelöst wurden. Fig. 13 B zeigt eine Cy3 Fluoreszenz-Aufnahme der anhaftenden Makerbeads nach der Ablösung der nichtkoppelnden Beads. Der abgebildete Plättchenbereich ist gleich jenes in Fig. 13 A. 15 Beispiel 4:To demonstrate the use of marker beads, a mixture of non-fluorescent beads and covalently coupling fluorescent marker beads was applied to a glass substrate. The markerbeads covalently bound and remained on the surface after washing while uncoupled beads were detached from the surface. For the preparation of coupling marker beads, fluorescence-labeled silicate beads (sicastar® -redF from Micromod, with carboxyl surface, diameter of 2 μm) were modified via EDC activation with PEG-diamine (Mw 3400, 40 Shearwater Polymers). For modification, the beads were resuspended in 20 μl of 1M MES buffer pH = 4.5 at a final concentration of 1% by mass. This suspension was transferred to 1 ml of 0.1 M MES buffer pH = 4.5 with 26 mM 1-ethyl-3- (3-dimethylaminopropyl) carbodiimide (EDC; Sigma) and 10 mM polyethylene glycol diamine (Mw 3400, Shearwater Polymers ) and incubated for 2 hours in a shaker at 750 rpm 45. The multiple wash was done with water. For the preparation of non-coupling beads, unlabelled silicate beads (sicastar® from Micromod, with carboxylate surface, diameter of 2 μm) in 1 ml of 0.1 M MES buffer pH = 4.5 with 26 mM EDC and 10 mM methoxy. Polyethylene glycol amine (Mw 5000, Shearwater Polymers) for 2 hours in a shaker (Thermomixer comfort, Eppendorf) at 750 rpm incubated. The multiple wash was done with so water. For the occupation experiments with beads, pegylated glass plates with an amine-reactive surface were used. To produce a pegylated glass surface, glycidoxypropyltrimethoxysilane-modified glass slides (preparation see Example 1) were incubated with 100 mg of methoxy-polyethylene glycol-amine (Mw 5000, Shearwater Polymers) in 25 ml of borate buffer pH = 8.8 at room temperature for 24 hours. After washing several times, the terminal amine function was modified with succinic anhydride (Sigma) in a saturated solution maintained at 55 1 7 AT 414 047 β pH = 6.2-6.5 with 6N NaOH for 2 hours. The resulting carboxylate function was activated in 25 ml of DMF with 13 mM N.N.N'.N'-tetramethyl-O-iN-succinimidyl-J-uronium tetrafluoroborate (TSTU) and 6.9 mM NHS with the addition of 20 μM triethylamine. The washing was carried out with a DMF / isopropanol gradient, finally it was dried in nitrogen-5 Ström. To cover the coated glass slides with beads, a mixture of 0.01% marker beads with PEG-amine terminus and 1% beads with PEG terminus in borate buffer pH = 8.8 was added, the mixture was applied to the plate and 60 minutes incubated. Fig. 13 A shows a transmitted light image of the attached beads. During the incubation, the marker beads coupled with the amino-terminus to the NHS-activated glass surface so that the marker beads remained on the glass slide after a wash step while peeling off non-coupling beads. FIG. 13B shows a Cy3 fluorescence image of the adhering Makerbeads after the detachment of the non-coupling beads. The platelet area shown is the same as that in FIG. 13 A. 15 Example 4
Fluoreszenzmarkierte Moleküle wurden von Kugeln in kontrollierter Weise auf eine plane Oberfläche übertragen. Dazu wurden Beads mit Amin-PEG-Cy3 belegt und auf ein Glasplättchen mit PEG-NHS Beschichtung aufgebracht. An den Kontaktstellen zwischen Kugeln und Glas wurde 20 Amin-PEG-Cy3 auf das Glassubstrat übertragen und kovalent gekoppelt, sodass nach Abwaschen der Kugeln fluoreszenzmarkierte Abdrücke verblieben. Für diese Übertragung wurden 20 μΙ Silicat Beads (Bangs Laboratories Inc, mit Carboxylatoberfläche, Durchmesser 5 μιη) in PBS Puffer pH = 7,3 mit einer Endkonzentration von 10 Massenprozent resuspendiert. Diese Beads-Suspension wurde zu 1 ml PBS Puffer pH = 7,3 mit 1,2 μΜ (1 mg) Amin-PEG-Cy3 (Syn-25 these siehe Beispiel 1) zugegeben und für 2 Stunden unter Schütteln (Thermomixer Eppendorf comfort) bei 750 rpm inkubiert. Nach mehrmaligem Waschen in PBS Puffer pH = 7,3 wurde im Überstand kein Fluoureszenzsignal (Fluoreszenzenzspektrometer Hitachi f-4500) nachgewiesen. Zu den beladenden Übertragungsbeads wurden Markerbeads (Silicat Beads, Bangs Laboratories Inc., Carboxylatoberfläche, Durchmesser 5 pm mit einer gemischten PEG-Amin/Cy3-30 PEG-Amin-Oberfläche, Herstellung analog zu Beispiel 3) im 1000-fachen Unterschuss gemengt. Die Mischung wurde auf das Glasplättchen mit PEG-NHS-Beschichtung aufgebracht und für 15 Minuten inkubiert (Herstellung der beschichteten Plättchen siehe Beispiel 3). Die Übertragungsbeads wurden durch Waschen abgelöst und die fluoreszenzmarkierten Abdrücke mit dem Nanoreader visualisiert (siehe Beispiel 1). Fig. 14 A zeigt einen etwa 100 pm mal 35 50 pm großen Ausschnitt mit einem Markerbead hoher Fluoreszenzintensität und ca. 100 Abrü cken geringerer Intensität. Fig. 14B zeigt einen Teilausschnitt von Fig. 14A mit Abdrücken unterschiedlicher Fluoreszenzintensitäten.Fluorescently labeled molecules were transferred from spheres to a flat surface in a controlled manner. For this purpose, beads were coated with amine-PEG-Cy3 and applied to a glass plate with PEG-NHS coating. At the contact points between beads and glass, 20 amine-PEG-Cy3 was transferred to the glass substrate and covalently coupled, leaving fluorescently labeled imprints after washing the beads. For this transfer, 20 μΙ silicate beads (Bangs Laboratories Inc, with carboxylate surface, diameter 5 μιη) were resuspended in PBS buffer pH = 7.3 with a final concentration of 10 percent by mass. This bead suspension was added to 1 ml of PBS buffer pH = 7.3 with 1.2 .mu.l (1 mg) of amine-PEG-Cy.sub.3 (Syn-25-thete see Example 1) and shaken for 2 hours (Thermomixer Eppendorf comfort). incubated at 750 rpm. After repeated washing in PBS buffer pH = 7.3, no fluorescence signal (fluorescence spectrometer Hitachi f-4500) was detected in the supernatant. Markerbeads (Silicate Beads, Bangs Laboratories Inc., carboxylate surface, diameter 5 pm with a mixed PEG-amine / Cy3-30 PEG-amine surface, preparation analogous to Example 3) were mixed in 1000-fold excess to the loading transfer beads. The mixture was applied to the glass slide with PEG-NHS coating and incubated for 15 minutes (preparation of the coated platelets see Example 3). The transfer beads were peeled off by washing and the fluorescently labeled imprints were visualized with the nanoreader (see Example 1). FIG. 14 A shows an approximately 100 μm by 35 50 μm section with a marker fluorescence intensity of high intensity and approximately 100 steps of lesser intensity. Fig. 14B shows a partial detail of Fig. 14A with impressions of different fluorescence intensities.
Beispiel 5: 40Example 5: 40
Zur Demonstration des Einsatzes von farbmarkierten Beads wurden drei Sorten unterschiedlich fluoreszenzmarkierter Silikat-Beads (sicastar ® blueF und sicastar ® greenF, sicastar ® redF von Micromod, mit Carboxylatoberfläche, Durchmesser je 2 pm) eingesetzt. Die Beads wurden mit Methoxy-PEG-Amin mittels EDC Aktivierung modifiziert (Herstellung siehe Beispiel 2). 45 Ebenso wurde das Glassubstrat mit Methoxy-PEG-Amin beschichtet (Herstellung siehe Beispiel 2). Zur Belegung des Glasplättchens mit Kugeln wurde eine Mischung der drei Beadsorten mit gleichen Anteilen von 0,5 Massenprozent in Wasser mit einer gesamten Endkonzentration von 1,5 Massenprozent suspendiert und auf das Plättchen aufgetragen. Zur Fluoreszenzaufnahme der adsorbierten Beads wurde ein Fluoreszenzmikroskop mit einer Quecksilberdampflampe so (Zeiss, fluo arc HBO 100) und einem Objektiv (Zeiss, Axiovert PNF 40x/1,3 Öl) eingesetzt. Ein Bildausschnitt wurde mit drei Filtersätzen aufgenommen: DAPI Anregungsfilter: D365/10x, Dichroitischer Strahlteiler: 380DCLP, Emissionsfilter: D460/50m. FITC Anregungsfilter: HQ480/40x, Dichroitischer Strahlteiler: Q505LP- Emissionsfilter: HQ535/50m. Cy3 Anregungsfilter: HQ535/50x, Dichroitischer Strahlteiler: Q565LP Emissionsfilter: HQ610/75m. Cy5 Anre-55 gungsfilter: HQ620/60x, Dichroitischer Strahlteiler: Q660LP- Emissionsfilter: HQ700/75m. DieTo demonstrate the use of color-labeled beads, three types of different fluorescence-labeled silicate beads (sicastar® blueF and sicastar® greenF, sicastar® redF from Micromod, with carboxylate surface, diameter 2 pm each) were used. The beads were modified with methoxy-PEG-amine by EDC activation (see Example 2 for preparation). 45 Likewise, the glass substrate was coated with methoxy-PEG-amine (preparation see Example 2). To cover the glass plate with balls, a mixture of the three types of beads with equal proportions of 0.5 mass percent was suspended in water with a total final concentration of 1.5 mass percent and applied to the plate. For fluorescence recording of the adsorbed beads, a fluorescence microscope with a mercury vapor lamp (Zeiss, fluo arc HBO 100) and a lens (Zeiss, Axiovert PNF 40x / 1.3 oil) was used. A picture was taken with three filter sets: DAPI excitation filter: D365 / 10x, dichroic beam splitter: 380DCLP, emission filter: D460 / 50m. FITC excitation filter: HQ480 / 40x, dichroic beam splitter: Q505LP emission filter: HQ535 / 50m. Cy3 excitation filter: HQ535 / 50x, dichroic beam splitter: Q565LP emission filter: HQ610 / 75m. Cy5 stimulation filter: HQ620 / 60x, dichroic beam splitter: Q660LP emission filter: HQ700 / 75m. The
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